由 LDO 穩(wěn)壓器實現高效率、低電壓轉換和單電源運作

背景
低電壓降壓型穩(wěn)壓和轉換可運用多種方法來實現。開關穩(wěn)壓器能夠在寬電壓范圍內實現高效運作，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 (或開關電容器電壓轉換器) 來實現較低電壓轉換，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現運作及穩(wěn)定性。如今，新式設計方法和晶圓制造工藝已使低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 能夠進入該應用領域。不過，只是近期才出現了一款可提供快速瞬態(tài)響應、低壓差電壓、低電壓運作 (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、低壓數字 IC (例如：FPGA、CPU 和 ASIC) 對那些負責給內核及 I/O 通道供電的電源提出了嚴苛的要求。然而，從功率輸送的角度來看這些數字 IC 并不可靠。傳統上，人們采用高效開關穩(wěn)壓器來為這些器件供電，但它們具有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態(tài)響應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用以及其他低電壓轉換系統所接納，不過它也存在自身特有的局限性。然而，由于近期的產品創(chuàng)新和功能提升，這種趨勢正在發(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)。

基本的設計挑戰(zhàn)
大量的業(yè)界標準線性穩(wěn)壓器采用單個電壓源來執(zhí)行低壓差操作，但無法實現非常低電壓轉換 (0.6V 輸出)。PMOS LDO 能實現此壓差并采用單電源運行，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，但需要使用兩個電源以對器件施加偏置。NPN 穩(wěn)壓器能提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但不是需要兩個電源電壓就是需要較高的壓差。相比之下，利用正確的設計架構，PNP 穩(wěn)壓器能夠在采用單個電源的情況下實現低壓差和低電壓轉換以及無懈可擊的保護功能。
由于工藝技術節(jié)點的尺寸持續(xù)縮小，因而要求這些數字 IC 和其他系統在較低的電壓條件下運作。對于很多現有的輸入電壓軌來說，較大電流及較低輸出電壓運作需要增加線性穩(wěn)壓器中的功耗。功耗的這種增加將轉化為熱量；所以，必需采用最先進的封裝以盡量降低穩(wěn)壓器內部的溫升，并減少應用中的熱問題。具低壓差運作能力 (可最大限度地減小輸入和輸出電壓之間的差異、且穩(wěn)壓器保持輸出調節(jié)作用和穩(wěn)定性) 的線性穩(wěn)壓器減少了功率耗散的熱考量因素。
對高電源抑制比 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲的要求是兩個額外的難題。具有高電源抑制比性能的器件可輕松地濾除和抑制來自輸入的噪聲，從而產生一個干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，對于當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必不可少的規(guī)格指標。

一款適合低電壓轉換的新型單電源線性穩(wěn)壓器
對于新式低電壓轉換系統來說，擁有必要規(guī)格指標的線性穩(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 (以實現易用性)
•快速瞬態(tài)響應時間
•可在一個很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內運作
•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、非常低壓差線性穩(wěn)壓器。

LT3022 VLDO 穩(wěn)壓器
LT3022 是一款 1A、非常低壓差 (VLDO^TM) 線性穩(wěn)壓器，具有低至 0.9V 的輸入電壓能力以及低至 0.2V 的可調輸出電壓。LT3022 的低 V_IN 能力加之此器件的低壓差 (在 1A 滿負載時的典型值為 145mV)，使其非常適合于諸如 FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器等數字 IC 中常見的低電壓、大電流軌。它也可應用于一般的高效率、低 V_IN 至低 V_OUT 轉換 (例如：1.8V 至 1.5V、1.5V 至 1.2V 或 1.2V 至 0.9V)。此外，該器件還以僅為 400μA 的靜態(tài)電流提供低功率工作模式，停機時靜態(tài)電流不到 10μA，從而延長了電池供電型手持式應用中的運行時間。

圖 1：LT3022 的典型應用電路 ━━ 可調輸出

LT3022 穩(wěn)壓器利用低 ESR、電容值低至 10μF 的陶瓷輸出電容器來優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。LT3022 是高度準確的，在整個電壓、負載和溫度范圍內具有 ±3% 的輸出電壓準確度、0.05% 的典型電壓調整率和 0.05% 的典型負載調整率。該器件無懈可擊的內部保護電路包括電池反向保護、輸出反向保護、輸出至輸入 (電流) 反向保護、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型 MSOP-16 封裝，可在 -40°C 至 +125°C 的結溫范圍內工作。

快速瞬態(tài)響應和高 PSRR
LT3022 的設計可在采用多種輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，但專為低 ESR 陶瓷電容器而優(yōu)化。輸出電容器的 ESR 會影響穩(wěn)定性，這種影響在采用小值電容器時最為顯著。應采用一個最小電容值為 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，而且輸出負載瞬態(tài)響應是輸出電容的一個函數。較大的輸出電容值可減小峰值偏差，并改善針對大負載電流變化的瞬態(tài)響應。

圖 2：LT3022 的負載瞬態(tài)響應

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型、負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備空間以驅動傳輸元件的柵極，否則其環(huán)路增益將受損，進而導致 PSRR 下降。PNP 型穩(wěn)壓器 (比如 LT3022) 的對數 VBE 特性意味著當超出壓差范圍時可提供卓越的環(huán)路增益和 PSRR 性能指標。如圖 3 所示，LT3022 在整個帶寬范圍內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

大量的保護功能
LT3022 具有多項保護功能，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)壓器相關的一般保護功能 (例如：電流限制和熱限制) 以外，該器件還提供了針對輸入電壓反向、輸出電壓反向、以及輸入至輸出電壓反向的保護功能。

電流限制保護和熱過載保護功能可避免器件遭受其輸出端上電流過載情況的損壞。對于標準操作，不要超過 125°C 的結溫。典型的熱停機溫度為 165°C，而且熱停機電路具有約 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負電壓。當電池在插入時極性接反時，該器件可為自身及負載提供相應的保護。

倘若 VOUT 被拉至地電位以下，LT3022 不會遭受損壞。假如 V_IN 被置于開路狀態(tài)或接地，則可將 V_OUT 拉至地電位以下達 10V。沒有電流從與 V_OUT 相連的傳輸晶體管流出。然而，電流流入 (但受限于) 負責設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 引腳的內部箝位電路經由分壓器中的頂端電阻器流至外部電路，從而將 V_OUT 拉至地電位以下。如果 V_IN 由一個電壓源供電，則 V_OUT 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自身加以保護。在該場合中，把 /SHDN 引腳接地將關斷 LT3022 并阻止 V_OUT 供應電流。

在需要采用一個后備電池的電路中，會出現幾種不同的輸入 / 輸出情況?？梢栽诒３州敵鲭妷旱耐瑫r將輸入拉至地電位、拉至某個中間電壓或置于開路狀態(tài)。在輸入接地的場合中，反向輸出電流小于 1μA。如果強制 LT3022 的 IN 引腳電壓低于 OUT 引腳或將 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。這種狀況出現在 LT3022 輸入連接至一個放電 (低電壓) 電池之時，而由一個后備電池或第二個穩(wěn)壓器電路負責保持輸出。如果 V_OUT 被拉至高于 V_IN，則 /SHDN 引腳的狀態(tài)不會影響反向輸出電流。

概括起來，LT3022 擁有以下主要的技術特點：

•V_IN 范圍：0.9V 至 10V
•V_REF 準確度：在整個電壓、負載和溫度范圍內為 ±3%
•V_OUT 范圍：0.2V 至 9.5V (可調)
•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) 時可保持穩(wěn)定
•0.05% 的負載調整率 (從 1mA 至 1A)
•靜態(tài)電流：400μA，ISD 10μA
•電流限制和具遲滯保護的熱限制
•電池反向、輸出反向和輸出至輸出 (電流) 反向保護
•16 引腳 DFN (3mm x 5mm x 0.75mm) 封裝或 16 引腳耐熱性能增強型 MSOP 封裝

結論
業(yè)界的許多 LDO 雖然實現了快速瞬態(tài)響應和低壓差，但傳統上需要采用一種兩電源配置以提供低電壓操作。然而，新型電路設計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 的可調輸出電壓、無懈可擊的保護功能、快速瞬態(tài)響應以及高 PSRR。