由LDO穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)高效率、低電壓轉(zhuǎn)換和單電源運(yùn)作

　　背景

　　低電壓降壓型穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換可運(yùn)用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能夠在寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作，但其正常操作需要使用磁性元件及電容器。另外，也可以采用充電泵 (或開(kāi)關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 來(lái)實(shí)現(xiàn)較低電壓轉(zhuǎn)換，但這種方案的輸出電流能力有限，而且需要外部電容器以實(shí)現(xiàn)運(yùn)作及穩(wěn)定性。如今，新式設(shè)計(jì)方法和晶圓制造工藝已使低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器 (LDO) 能夠進(jìn)入該應(yīng)用領(lǐng)域。不過(guò)，只是近期才出現(xiàn)了一款可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、低壓差電壓、低電壓運(yùn)作 (<0.6V 輸出)、高輸出電流能力和單電源操作的 LDO。

　　目前這一代快速、大流、低壓數(shù)字 IC (例如：FPGA、CPU 和 ASIC) 對(duì)那些負(fù)責(zé)給內(nèi)核及 I/O 通道供電的電源提出了嚴(yán)苛的要求。然而，從功率輸送的角度來(lái)看這些數(shù)字 IC 并不可靠。傳統(tǒng)上，人們采用高效開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)為這些器件供電，但它們具有潛在的噪聲干擾問(wèn)題以及瞬態(tài)響應(yīng)和布局方面的局限性。因此，LDO 正作為一種替代方案而逐步被這些應(yīng)用以及其他低電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所接納，不過(guò)它也存在自身特有的局限性。然而，由于近期的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能提升，這種趨勢(shì)正在發(fā)生改變，而且，最新面市的新款 LDO 在性能上所做的折衷非常之少 (如果有的話(huà))。

　　基本的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　大量的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性穩(wěn)壓器采用單個(gè)電壓源來(lái)執(zhí)行低壓差操作，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)非常低電壓轉(zhuǎn)換 (<0.6V 輸出)。PMOS LDO 能實(shí)現(xiàn)此壓差并采用單電源運(yùn)行，但由于傳輸晶體管的 Vgs 特性而在低輸入電壓條件下受到限制。NMOS 型器件可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但需要使用兩個(gè)電源以對(duì)器件施加偏置。NPN 穩(wěn)壓器能提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但不是需要兩個(gè)電源電壓就是需要較高的壓差。相比之下，利用正確的設(shè)計(jì)架構(gòu)，PNP 穩(wěn)壓器能夠在采用單個(gè)電源的情況下實(shí)現(xiàn)低壓差和低電壓轉(zhuǎn)換以及無(wú)懈可擊的保護(hù)功能。

　　由于工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的尺寸持續(xù)縮小，因而要求這些數(shù)字 IC 和其他系統(tǒng)在較低的電壓條件下運(yùn)作。對(duì)于很多現(xiàn)有的輸入電壓軌來(lái)說(shuō)，較大電流及較低輸出電壓運(yùn)作需要增加線(xiàn)性穩(wěn)壓器中的功耗。功耗的這種增加將轉(zhuǎn)化為熱量;所以，必需采用最先進(jìn)的封裝以盡量降低穩(wěn)壓器內(nèi)部的溫升，并減少應(yīng)用中的熱問(wèn)題。具低壓差運(yùn)作能力 (可最大限度地減小輸入和輸出電壓之間的差異、且穩(wěn)壓器保持輸出調(diào)節(jié)作用和穩(wěn)定性) 的線(xiàn)性穩(wěn)壓器減少了功率耗散的熱考量因素。

　　對(duì)高電源抑制比 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲的要求是兩個(gè)額外的難題。具有高電源抑制比性能的器件可輕松地濾除和抑制來(lái)自輸入的噪聲，從而產(chǎn)生一個(gè)干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，對(duì)于當(dāng)今那些需要考慮噪聲敏感性的新式電壓軌而言，在寬帶寬范圍內(nèi)具有低輸出電壓噪聲的器件是有益的。顯然，大電流條件下的低輸出電壓噪聲是一項(xiàng)必不可少的規(guī)格指標(biāo)。

　　一款適合低電壓轉(zhuǎn)換的新型單電源線(xiàn)性穩(wěn)壓器

　　對(duì)于新式低電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，擁有必要規(guī)格指標(biāo)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器可能是一種理想的解決方案;然而，為了使 LDO 得以采用，它將需要具備以下特性：

　　? 單電源操作 (以實(shí)現(xiàn)易用性)

　　? 快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

　　? 可在一個(gè)很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)作

　　? 高輸出電流能力

　　? 低輸出噪聲

　　? 非常低壓差操作

　　? 超卓的熱性能

　　? 高 PSRR (在高頻條件下)

　　為了滿(mǎn)足這些需求，凌力爾特公司最近推出了 LT3022，這是一款單電源、非常低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器。

　　LT3022 VLDO 穩(wěn)壓器

　　LT3022 是一款 1A、非常低壓差 (VLDOTM) 線(xiàn)性穩(wěn)壓器，具有低至 0.9V 的輸入電壓能力以及低至 0.2V 的可調(diào)輸出電壓。LT3022 的低 VIN 能力加之此器件的低壓差 (在 1A 滿(mǎn)負(fù)載時(shí)的典型值為 145mV)，使其非常適合于諸如 FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器等數(shù)字 IC 中常見(jiàn)的低電壓、大電流軌。它也可應(yīng)用于一般的高效率、低 VIN 至低 VOUT 轉(zhuǎn)換 (例如：1.8V 至 1.5V、1.5V 至 1.2V 或 1.2V 至 0.9V)。此外，該器件還以?xún)H為 400μA 的靜態(tài)電流提供低功率工作模式，停機(jī)時(shí)靜態(tài)電流不到 10μA，從而延長(zhǎng)了電池供電型手持式應(yīng)用中的運(yùn)行時(shí)間。

　　圖 1：LT3022 的典型應(yīng)用電路 ━━ 可調(diào)輸出

　　LT3022 穩(wěn)壓器利用低 ESR、電容值低至 10μF 的陶瓷輸出電容器來(lái)優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。LT3022 是高度準(zhǔn)確的，在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)具有 ±3% 的輸出電壓準(zhǔn)確度、0.05% 的典型電壓調(diào)整率和 0.05% 的典型負(fù)載調(diào)整率。該器件無(wú)懈可擊的內(nèi)部保護(hù)電路包括電池反向保護(hù)、輸出反向保護(hù)、輸出至輸入 (電流) 反向保護(hù)、電流限制和具遲滯的熱限制。

　　最后，該器件采用 16 引腳 3mm x 5mm DFN 封裝和耐熱性能增強(qiáng)型 MSOP-16 封裝，可在 -40°C 至 +125°C 的結(jié)溫范圍內(nèi)工作。

　　快速瞬態(tài)響應(yīng)和高 PSRR

　　LT3022 的設(shè)計(jì)可在采用多種輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，但專(zhuān)為低 ESR 陶瓷電容器而優(yōu)化。輸出電容器的 ESR 會(huì)影響穩(wěn)定性，這種影響在采用小值電容器時(shí)最為顯著。應(yīng)采用一個(gè)最小電容值為 10μF 且 ESR 小于 0.1Ω 的輸出電容器以防止發(fā)生振蕩。LT3022 是一款低電壓器件，而且輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是輸出電容的一個(gè)函數(shù)。較大的輸出電容值可減小峰值偏差，并改善針對(duì)大負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　圖 2：LT3022 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

　　輸入 PSRR 將隨諸多因素而變化，例如：輸入和輸出電容器的尺寸和類(lèi)型、負(fù)載電流和電路板布局等等。通常，CMOS 穩(wěn)壓器需要足夠的電壓儲(chǔ)備空間以驅(qū)動(dòng)傳輸元件的柵極，否則其環(huán)路增益將受損，進(jìn)而導(dǎo)致 PSRR 下降。PNP 型穩(wěn)壓器 (比如 LT3022) 的對(duì)數(shù) VBE 特性意味著當(dāng)超出壓差范圍時(shí)可提供卓越的環(huán)路增益和 PSRR 性能指標(biāo)。如圖 3 所示，LT3022 在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)均提供了超卓的電源抑制性能。

　　圖 3：LT3022 的輸入紋波抑制性能

　　大量的保護(hù)功能

　　LT3022 具有多項(xiàng)保護(hù)功能，從而使其非常適合在電池供電型電路中使用。除了與單片式穩(wěn)壓器相關(guān)的一般保護(hù)功能 (例如：電流限制和熱限制) 以外，該器件還提供了針對(duì)輸入電壓反向、輸出電壓反向、以及輸入至輸出電壓反向的保護(hù)功能。

　　電流限制保護(hù)和熱過(guò)載保護(hù)功能可避免器件遭受其輸出端上電流過(guò)載情況的損壞。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)操作，不要超過(guò) 125°C 的結(jié)溫。典型的熱停機(jī)溫度為 165°C，而且熱停機(jī)電路具有約 7°C 的遲滯。

　　IN 引腳可承受 10V 的反向電壓。LT3022 將電流限制在 1μA 以下，而且在輸出端上不出現(xiàn)負(fù)電壓。當(dāng)電池在插入時(shí)極性接反時(shí)，該器件可為自身及負(fù)載提供相應(yīng)的保護(hù)。

　　倘若 VOUT 被拉至地電位以下，LT3022 不會(huì)遭受損壞。假如 VIN 被置于開(kāi)路狀態(tài)或接地，則可將 VOUT 拉至地電位以下達(dá) 10V。沒(méi)有電流從與 VOUT 相連的傳輸晶體管流出。然而，電流流入 (但受限于) 負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓的電阻分壓器。電流從分壓器中的底端電阻器以及 ADJ 引腳的內(nèi)部箝位電路經(jīng)由分壓器中的頂端電阻器流至外部電路，從而將 VOUT 拉至地電位以下。如果 VIN 由一個(gè)電壓源供電，則 VOUT 將提供與其電流限制能力相等的電流，而 LT3022 將利用熱限制功能對(duì)自身加以保護(hù)。在該場(chǎng)合中，把 /SHDN 引腳接地將關(guān)斷 LT3022 并阻止 VOUT 供應(yīng)電流。

　　在需要采用一個(gè)后備電池的電路中，會(huì)出現(xiàn)幾種不同的輸入 / 輸出情況。可以在保持輸出電壓的同時(shí)將輸入拉至地電位、拉至某個(gè)中間電壓或置于開(kāi)路狀態(tài)。在輸入接地的場(chǎng)合中，反向輸出電流小于 1μA。如果強(qiáng)制 LT3022 的 IN 引腳電壓低于 OUT 引腳或?qū)?OUT 引腳電壓拉至高于 IN 引腳，則輸入電流通常將減小至 10μA 以下。這種狀況出現(xiàn)在 LT3022 輸入連接至一個(gè)放電 (低電壓) 電池之時(shí)，而由一個(gè)后備電池或第二個(gè)穩(wěn)壓器電路負(fù)責(zé)保持輸出。如果 VOUT 被拉至高于 VIN，則 /SHDN 引腳的狀態(tài)不會(huì)影響反向輸出電流。

　　概括起來(lái)，LT3022 擁有以下主要的技術(shù)特點(diǎn)：

　　? VIN 范圍：0.9V 至 10V

　　? VREF 準(zhǔn)確度：在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)為 ±3%

　　? VOUT 范圍：0.2V 至 9.5V (可調(diào))

　　? 壓差電壓：145mV

　　? 輸出電流：1A

　　? 固定輸出電壓：1.2V、1.5V、1.8V

　　? 采用低 ESR、陶瓷輸出電容器 (最小值為 10μF) 時(shí)可保持穩(wěn)定

　　? 0.05% 的負(fù)載調(diào)整率 (從 1mA 至 1A)

　　? 靜態(tài)電流：400μA，ISD < 10μA

　　? 電流限制和具遲滯保護(hù)的熱限制

　　? 電池反向、輸出反向和輸出至輸出 (電流) 反向保護(hù)

　　? 16 引腳 DFN (3mm x 5mm x 0.75mm) 封裝或 16 引腳耐熱性能增強(qiáng)型 MSOP 封裝

　　結(jié)論

　　業(yè)界的許多 LDO 雖然實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和低壓差，但傳統(tǒng)上需要采用一種兩電源配置以提供低電壓操作。然而，新型電路設(shè)計(jì)方法及改良型晶圓制造工藝拓展了 PNP 型傳輸晶體管 LDO 的性能。LT3022 是一款采用單工作電源的 1A VLDO 線(xiàn)性穩(wěn)壓器，具有低至 0.9V 的輸入電壓能力和低至 0.2V 的可調(diào)輸出電壓、無(wú)懈可擊的保護(hù)功能、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及高 PSRR。