手机中二极管-三极管-LDO-DCDC电路

二极管二极管 一般来讲 晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n 型半导体烧结形成的 p n 结界面 在 其界面的两侧形成空间电荷层 构成自建电场 二极管的主要特性 正向性正向性 外加正向电压时 在正向特性的起始部分 正向电压很小 正向电流几乎为零 当正向电 压继续加大 二极管正向导通 在正常使用的电流范围内 导通时二极管的端电压几乎维 持不变 这个电压称为二极管的正向电压 反向性反向性 外加反向电压不超过一定范围时 通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电 流 由于反向电流很小 二极管处于截止状态 击穿击穿 外加反向电压超过某一数值时 反向电流会突然增大 这种现象称为电击穿 当电压达到约 0 7V 时 二极管完全导导通状态 通常称此电压为二极管的导通电压 对于锗二极管 开启电压为 0 2V 导通电压 UD 约为 0 3V 二极管的反向击穿二极管的反向击穿 齐纳击穿齐纳击穿 反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况 二极管是最常用的电子元件之一 他最大的特性就是单向导电 也就是电流只可以从二极 管的一个方向流过 二极管的作用有整流电路 检波电路 稳压电路 各种调制电路 主 要都是由二极管来构成的 二极管应用 1 检波二极管检波二极管 2 限幅二极管限幅二极管 二极管正向导通后 它的正向压降基本保持不变 硅管为 0 7V 锗管为 0 3V 利用这一 特性 在电路中作为限幅元件 可以把信号幅度限制在一定范围内 3 开关二极管开关二极管 4 稳压二极管稳压二极管 这种管子是利用二极管的反向击穿特性制成的 在电路中其两端的电压保持基本不变 起 到稳定电压的作用 二极管工作时的端电压 又称齐纳电压 从 3V 左右到 150V 按每隔 10 能划分成许多等级 5 肖特基二极管肖特基二极管 它是具有肖特基特性的 金属半导体结 的二极管 其正向起始电压较低 其半导体材料采 用硅或砷化镓 多为 N 型半导体 由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微 所以 其频率响仅为 RC 时间常数限制 因而 它是高频和快速开关的理想器件 其工作频率可 达 100GHz 5 瞬变电压抑制二极管瞬变电压抑制二极管 TVP 管 对电路进行快速过压保护 分双极型和单极型两种 按峰值功率 500W 5000W 和电压 8 2V 200V 分类 二极管主要参数 二极管主要参数 1 最大整流电流 最大整流电流 IF 是指二极管长期连续工作时 允许通过的最大正向平均电流值 其值与 PN 结面积及外部 散热条件等有关 因为电流通过管子时会使管芯发热 温度上升 温度超过容许限度 硅 管为 141 左右 锗管为 90 左右 时 就会使管芯过热而损坏 2 最高反向工作电压 最高反向工作电压 U 加在二极管两端的反向电压高到一定值时 会将管子击穿 失去单向导电能力 为了保证 使用安全 规定了最高反向工作电压值 3 动态电阻 动态电阻 Rd 二极管特性曲线静态工作点 Q 附近电压的变化与相应电流的变化量之比 4 最高工作频率 最高工作频率 Fm Fm 是二极管工作的上限频率 因二极管与 PN 结一样 其结电容由势垒电容组成 所以 Fm 的值主要取决于 PN 结结电容的大小 若是超过此值 则单向导电性将受影响 5 电压温度系数 电压温度系数 uz uz 指温度每升高一摄氏度时的稳定电压的相对变化量 uz 为 6v 左右的稳压二极管的温度 稳定性较好 在手机中一般有三个地方会用到二极管 一处是马达电路 利用二极管抑制马达线圈 的尖峰电压 另一处是 DC DC 电路 构成续流二极管 最后一处是 ESD 防护 将两个背靠 背的二极管做成 TVS 管 实现静电电荷或浪涌冲激的快速泄放 手机中用到的二极管生产公司 NXP SIG 芯导 罗姆 NXP 二极管二极管 BZX585 C5V1 低功率稳压器二极管 采用超小型 SOD523 SMD 塑料封装 总功耗 最大 300 mW 两个容差系列 2 和 5 工作电压范围 标称值 2 4 V 至 75 V E24 范围 非重复性峰值逆向功率损耗 最大 40 W 一般稳压功能 NXP 二极管二极管 PMEG6010CEJ 平面高能效通用型 MEGA 肖特基势垒整流器 带集成应力保护环 采用小型扁平引脚表面 贴装设备 SMD 塑料封装 特性 正向电流 IF 1 A 反向电压 VR 60 V 极低正向电压 小型扁平引脚 SMD 塑料封装 低压整流 高效 DC DC 转换 开关模式电源 反向极性保护 低功耗应用 NXP 贴片贴片 TVS 二极管二极管 PESD5V0S1B 低电容静电放电 ESD 保护二极管采用超小型 SMD 塑料封装 保护单条信号线免受 ESD 和 其他瞬态电压导致的损坏 特性 单条线路的双向 ESD 保护 超过 30 kV 的 ESD 保护 最大峰值脉冲功率 PPP 130 W IEC 61000 4 2 第四级 ESD 低钳位电压 V CL R 14 V IEC 61000 4 5 浪涌 IPP 12 A 超低漏电流 IRM 5 nA 超小型 SMD 塑料封 三极管三极管 三极管 全称应为半导体三极管 也称双极型晶体管 晶体三极管 是一种控制电流 的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号 三极管是在一块半导体基 片上制作两个相距很近的 PN 结 两个 PN 结把整块半导体分成三部分 中间部分是基区 两侧部分是发射区和集电区 排列方式有 PNP 和 NPN 两种 晶体三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线 1 输入特性曲线 输入特性曲线 由图可见曲线形状与二极管的伏安特性相类似 UCE 1V 的输入特性曲线比 UCE 0V 的曲线向右移动了一段距离 即 UCE 增大曲线向右移 但当 UCE 1V 后 曲线右移距离很 小 可以近似认为与 UCE 1V 时的曲线重合 所以图中只画出两条曲线 在实际使用中 UCE 总是大于 1V 的 由图可见 只有 UBE 大于 05V 后 iB 才随 UBE 的增大迅速增大 正 常工作时管压降 UBE 约为 0 6 0 8V 通常取 0 7V 称之为导通电压 UBE on 对锗管 死 区电压约为 0 1V 正常工作时管压降 UBE 的值约为 0 2 0 3V 导通电压 UBE on 0 2V 2 输出特性曲线输出特性曲线 输出回路的输出特性方程为 iC f UCE iB 常数 晶体三极管的输出特性曲线分为截止 饱和和放大三个区 每区各有其特点 1 截止区 IB 0 IC ICEO 0 此时两个 PN 结均反向偏置 2 放大区 IC IB ICEO 此时发射结正向偏置 集电结反向偏置 特性曲线比较平 坦且等间距 Ic 受 IB 控制 IB 一定时 Ic 不随 UCE 而变化 3 饱和区 UCE U BE UCB UCE U BE 0 此时两个 PN 结均正向偏置 IC b IB IC 不受 IB 控制 失去放大作用 曲线上升部分 UCE 很小 UCE U BE 时 达到临 界饱和 深度饱和时 硅管 UCE SAT 0 3V 锗管 UCE SAT 0 1V 三极管主要参数 三极管主要参数 1 特征频率 fT 当 f fT 时 三极管完全失去电流放大功能 如果工作频率大于 fT 电路将不正常工作 fT 称作增益带宽积 即 fT fo 若已知当前三极管的工作频率 fo 以及高频电流放大倍数 便可得出特征频率 fT 随着工作频率的升高 放大倍数会下降 fT 也可以定义为 1 时 的频率 2 电压 电流 三极管用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围 3 电流放大倍数 4 集电极发射极反向击穿电压 表示临界饱和时的饱和电压 5 最大允许耗散功率 三极管主要应用 三极管主要应用 1 开关 2 电压放大 3 电流放大 4 振汤回路 5 射频发送 MOS 绝缘栅场效应管 MOS 管 的分类 绝缘栅场效应管也有两种结构形式 它们是 N 沟道型和 P 沟道型 无论是什么沟道 它们又分为增强型和耗尽型两种 它是由金属 氧化物和半 导体所组成 所以又称为金属 氧化物 半导体场效应管 简称 MOS 场效应管 工作原理 绝缘栅型场效应管的工作原理 以 N 沟道增强型 MOS 场效应管 它是利用 UGS 来控制 感应电荷 的多少 以改变由这些 感应电荷 形成的导电沟道的状况 然后达到控制 漏极电流的目的 在制造管子时 通过工艺使绝缘层中出现大量正离子 故在交界面的另 一侧能感应出较多的负电荷 这些负电荷把高渗杂质的 N 区接通 形成了导电沟道 即使 在 VGS 0 时也有较大的漏极电流 ID 当栅极电压改变时 沟道内被感应的电荷量也改变 导电沟道的宽窄也随之而变 因而漏极电流 ID 随着栅极电压的变化而变化 特性曲线 1 转移特性曲线 场效应管是电压控制电流的器件 由于栅极没有输入电流 讨论其输入特性就没有意 义了 这里用转移特性来描述管子的输入和输出之间的控制关系 所谓转移特性 是指在 一定的漏极电压 uDS 的情况下 栅极电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制特性 2 输出特性曲线 场效应管的输出特性是指在栅极电压一定的情况下 漏极电流 iD 与漏 源电压 uDS 之间的 关系 场效应管的输出特性曲线也分成三个区 恒流区 夹断区和可变电阻区 当导电沟道 予夹断后 呈现恒流特性 处于恒流区 当栅极电压达到一定的值时 导电沟道被两边的 空间电荷区夹断 漏极电流很小 处于夹断区 当栅源电压很小 两边的空间电荷区没有 接触时 处于可变电阻区 放大电路中的场效应管应该处于恒流区 只有处于恒流区 栅 极电压才对漏极电流有控制作用 MOS 管主要参数 1 开启电压 VT 又称阈值电压 使得源极 S 和漏极 D 之间开始形成导电沟道所需的栅 极电压 标准的 N 沟道 MOS 管 VT 约为 3 6V 通过工艺上的改进 可以使 MOS 管 的 VT 值降到 2 3V 2 直流输入电阻 RGS 3 即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比 这一特性有时以流过栅极的栅流表示 MOS 管的 RGS 可以很容易地超过 1010 4 漏源击穿电压 BVDS 在 VGS 0 增强型 的条件下 在增加漏源电压过程中使 ID 开 始剧增时的 VDS 称为漏源击穿电压 BVDS 5 栅源击穿电压 BVGS 在增加栅源电压过程中 使栅极电流 IG 由零开始剧增时的 VGS 称为栅源击穿电压 BVGS 6 低频跨导 gm 在 VDS 为某一固定数值的条件下 漏极电流的微变量和引起这个变化 的栅源电压微变量之比称为跨导 gm 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力 是表征 MOS 管放大能力的一个重要参数 场效应管属于电压控制元件 这一特点类似于电子管 但它的构造与工作原理和电子 管是截然不同的 与双极型晶体管相比 场效应管具有如下特点 1 场效应管是电压控制器件 它通过 VGS 栅源电压 来控制 ID 漏极电流 2 场效应管的输入端电流极小 因此它的输入电阻很大 3 它是利用多数载流子导电 因此它的温度稳定性较好 4 它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数 5 场效应管的抗辐射能力强 6 由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声 所以噪声低 应用 1 场效应管可应用于放大 由于场效应管放大器的输入阻抗很高 因此耦合电容可以 容量较小 不必使用电解电容器 2 场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换 常用于多级放大器的输入级作阻抗 变换 3 场效应管可以用作可变电阻 4 场效应管可以方便地用作恒流源 5 场效应管可以用作电子开关 LDO LDO 是线性电源的典型代表 主要组成部分 基准电压发射器 Vref 误差放大器 MOS 管 T 和反馈电阻 R1 R2 工作原理 LDO 工作原理如下 Vin 为输入电压 经调整管 降压后输出 Vout R1 R2 构成分压电 路 从 R2 上采样并反馈输入到误差放大器的同相端 基准电压发生器产生一个高精度的恒 压源 Vref 并输入到误差放大器反向端 误差放大器对同相端和反相端的电压差值进行放 大 其输出电压用于控制 MOS 管的栅极电压 从而改变 MOS 管的工作点 当整个环路达 到稳定时 误差放大器的同相端与反相端电压近似相等 此时 有 Vref Vout R2 R1 R2 即 Vout Vref R1 R2 R2 由上式可知 正常状态下 LDO 输出电压 Vout 的大小与输入电压 Vin 无关 而只是取 决于基准电压 Vref 和分压电阻 R1 R2 比值大小 对于一款具体的 芯片 Vref 和 R1 R2 都是固定的 于是输出电压也就被固定了 从自控角度看 LDO 其实是一个电压闭环负反馈系统 其中 Vref 为基准信号 R1 R2 为反 馈器件 通过他们可以获得系统输出量并反馈回系统 根据制成工艺的不同 LDO 有 Bipolar BiCMOS CMOS 几种类型 性能有所差异 但 随着成本压力的增大 CMOS LDO 目前成为市场的主流 对于手机来说 主要分成射频 基带 PMU 三大功能单元 PMU 虽然可以满足其中大 部分供电的需求 而对于射频部分的供电 摄像头模组的供电 GPS 以及 WIFI 部分新增 的供电需求 由于 PMU 本身更新的速度 以及考虑成本 散热问题 并不能满足 需要通 过额外的电源供应 SGMICRO 的 LDO 产品本身有着极低的静态电流 极低的噪声 非常高 的 PSRR 以及很低的输入输出电压差 可以大部分满足这些应用条件下供电需求 在手机应用中 LDO 的 PSRR 输出噪声 启动时间这几个参数直接影响手机性能好坏 选择其外围器件需要注意一下几点 1 输出电容的选择影响 LDO 的稳定性 响应性能以及启动时间 2 输入电容选择影响瞬态响应性能 EMI 和 PSSR 3 两端滤波电容影响输出波纹 PSSR 和瞬态响应性能以及启动时间 4 稳压二极管选用要考虑能抑制输入电压过冲 CMOS LDO 的以下几个参数在手机设计中特别重要 1 LDO 的稳定性与瞬态响应 由于负载电流动态范围变化大 要求 LDO 的稳定性与 瞬态响应性能好 2 PSSR 参数 该参数直接影响射频模块部分接收灵敏度 如果用在音频部分 能抑 制手机中 EMI 干扰 3 LDO 启动时间 启动时间和设计的上电时序相关 直接影响系统工作与否 不同功率情况下选用合适的 LDO 的典型应用 LDO 常见用于手机摄像头电源驱动 RF 电源 蓝牙模块电源驱动 1 常见的 AC DC 电源 交流电源电压经变压器后 变换成所需要的电压 该电压经 整流后变为直流电压 在该电路中 低压差线性稳压器的作用是 在交流电源电压或负载 变化时稳定输出电压 抑制纹波电压 消除电源产生的交流噪声 2 各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化 为了保证蓄电池组输出恒定电压 通 常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器 低压差线性稳压器的功率较低 因此可 以延长蓄电池的使用寿命 同时 由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近 因 此在蓄电池接近放电完毕时 仍可保证输出电压稳定 3 开关性稳压电源的效率很高 但输出纹波电压较高 噪声较大 电压调整率等性能 也较差 特别是对模拟电路供电时 将产生较大的影响 在开关性稳压器输出端接入低压 差线性稳压器 就可以实现有源滤波 而且也可大大提高输出电压的稳压精度 同时电源 系统的效率也不会明显降低 常见的封装有 SC70 SOT23 DFN 6 TO252 SOIC SOT23 以射频模块部分供电为例 SC70 封装 本身允许散热功率通常在 0 2W 以内 Vout 通常是 2 8V 如果电流超过 250mA 会导致不稳定 而 SOT23 的封装允许散热在 0 4W 左右 更加适 合该部分的应用 如果从芯片尺寸考虑 可以选用 DFN 封装 可以兼顾散热要求 PD0 4W 生产厂家 TOREX SII ROHM RICOH Diodes Prisemi Ame TI NS Maxim LTC Intersil Fairchild Micre l Natlinear MPS AATI ACE ADI ST 等 DC DC 电源模块电源模块 DC DC 转换器分为三类 升压型 DC DC 转换器 降压型 DC DC 转换器以及升降压型 DC DC 转换器 根据需求可采用三类控制 PWM 控制型效率高并具有良好的输出电压纹波 和噪声 PFM 控制型即使长时间使用 尤其小负载时具有耗电小的优点 PWM PFM 转换 型小负载时实行 PFM 控制 且在重负载时自动转换到 PWM 控制 目前 DC DC 转换器广泛 应用于手机 MP3 数码相机 便携式媒体播放器等产品中 DC DC 变换是将原直流电通过调整其 PWM 占空比 来控制输出的有效电压的大小 DC DC 有降压和升压两种 DC DC BUCK 降压型变换电路 这种变换器只能降压不能升压 输入输出是同极性的 它输出的电 流脉动小 结构比较简单 但输入电流脉动较大 其电压比公式 V0 Vin D 开关管承受最高电压为 VMQ Vin 二极管承受最高电压为 VMD Vin 适用于各种降压型开关稳压器 DC DC Boost 升压型变换器 该种变化器只能升压 二不能降压 输入输出同极性 输入电流脉动 小 但输出电流脉动大 也不能空载工作 结构比较简单 其低电压比 V0 V