面向汽車應(yīng)用的線性調(diào)整器與開(kāi)關(guān)調(diào)整器的比較

多年來(lái)，人們一直預(yù)測(cè)低壓差線性調(diào)整器(LDO)要退出在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，LDO調(diào)整器持續(xù)生存著甚至茁壯成長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)格便宜且使用方便。本文中，我將闡述LDO調(diào)整器的復(fù)雜性，考察市場(chǎng)上的最新進(jìn)展(確實(shí)有一些進(jìn)展)，并分析隨著汽車電源需求的持續(xù)攀升而向開(kāi)關(guān)型調(diào)整器轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

新型線性調(diào)整器

線性調(diào)整器有什么新技術(shù)呢？讓我們首先看看輸出電容。目前，陶瓷電容都選擇的是0402封裝，大多數(shù)原因在于所改進(jìn)的材料已經(jīng)把它們的溫度范圍從125℃(257°F)提高到了150℃(302°F)，所改善的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振能力。這些電容的小尺寸減少了它們的感性成分，進(jìn)一步提高了高頻性能。但是，陶瓷電容的關(guān)鍵特性是其低的等效串聯(lián)阻抗或ESR。

基本的閉環(huán)線性調(diào)整器系統(tǒng)由一個(gè)誤差放大器、輸出驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載組成。圖1到3詳細(xì)描述了雙極型線性調(diào)整器的閉環(huán)頻率響應(yīng)，在保持系統(tǒng)設(shè)置和輸出容值相同的情況下，改變輸出電容的ESR可以看到其影響。具有1歐姆ESR(圖1)的電容為穩(wěn)定的；而具有0.01歐姆非常低 ESR(圖2)的電容就不穩(wěn)定；具有3歐姆較大ESR(圖3)的電容也不穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中有一條非常實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)法則：無(wú)論何時(shí)閉環(huán)增益大于或等于1，閉環(huán)相位永遠(yuǎn)不會(huì)落在360度的30度之內(nèi)。

大多數(shù)線性調(diào)整器并未給你提供測(cè)量穩(wěn)定性曲線的可接入點(diǎn)。取而代之的是，芯片制造提供一組與輸出電容的ESR數(shù)值相對(duì)應(yīng)的曲線，顯示哪些地方有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。圖4所示為輸出電容ESR的不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的典型差異，它取決于因輸出電流變化引起的輸出調(diào)整器電壓的變化。圖5所示為輸出電容數(shù)值上的不穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)之間的差異。

負(fù)載響應(yīng)時(shí)間通常與IC穩(wěn)定性產(chǎn)品區(qū)域呈相反的規(guī)律變化。環(huán)路響應(yīng)時(shí)間一直被降低以提供更佳的穩(wěn)定性。用一個(gè)外部輸出電容可以補(bǔ)償大多數(shù)瞬態(tài)需求。要確保為你的需求提供一個(gè)數(shù)值足夠大的電容。要采用常用的電容方程：

來(lái)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的大小計(jì)算電容數(shù)值、瞬態(tài)時(shí)間和系統(tǒng)容許的輸出電壓降。

無(wú)論調(diào)整器處于加載或待機(jī)狀態(tài)下，靜態(tài)電流都是一個(gè)重要的指標(biāo)。歷史上，靜態(tài)電流不受重視。隨著汽車電子系統(tǒng)的增加，對(duì)現(xiàn)有電池和交流發(fā)電機(jī)的使用已經(jīng)達(dá)到了極限。半導(dǎo)體制造工藝對(duì)靜態(tài)電流的大小有一定影響，對(duì)于以兩種不同類型制造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們可以看到典型性能特征所受到的影響。圖6所示為以雙極工藝生產(chǎn)的器件，而圖7所示為以BCD工藝生產(chǎn)的器件。注意以BCD工藝制造的器件所具有的扁平線特性。

采用雙極工藝的器件在高負(fù)載上靜態(tài)電流會(huì)增加；采用BCD工藝的器件在小負(fù)載和大負(fù)載時(shí)都保持低的靜態(tài)電流。結(jié)果對(duì)模塊的靜態(tài)電流限制貢獻(xiàn)較低。

節(jié)省電流

在節(jié)省電流的控制中，你可以使用一種看門(mén)狗調(diào)整器(watchdog regulator)?？撮T(mén)狗調(diào)整器利用發(fā)往微處理器的喚醒信號(hào)實(shí)現(xiàn)節(jié)省電流。當(dāng)微處理器指令正在開(kāi)始運(yùn)作時(shí)，一個(gè)協(xié)同信號(hào)由微處理器發(fā)回到電壓調(diào)整器，向調(diào)整器提示它必須保持調(diào)整。一旦微處理器完成命令和指令，被發(fā)回調(diào)整器的反饋信號(hào)被取消?？撮T(mén)狗調(diào)整器識(shí)別這個(gè)事件，并把一個(gè)復(fù)位信號(hào)發(fā)回微處理器，將其關(guān)閉，如圖8所示。最終結(jié)果是節(jié)省電流，直到微處理器需要再次發(fā)出協(xié)同信號(hào)。

另一種節(jié)省調(diào)整器IC電流的方法是即刻關(guān)閉不需要工作的電路。只要不是立即要用的調(diào)整器電路，都可以關(guān)閉并工作在脈沖開(kāi)/關(guān)模式。這種方案對(duì)于寒冷或室內(nèi)溫度下的輕負(fù)載條件最佳。器件的溫度越高，漏電流就越大，工作就越復(fù)雜；環(huán)境溫度的上升或片上電源導(dǎo)致的裸片溫度上升，都會(huì)造成器件工作溫度的上升。

為此，越來(lái)越多的人選用雙調(diào)整器(在一顆芯片上有兩個(gè)獨(dú)立的輸出調(diào)整器)。有幾種微處理器現(xiàn)在就需要采用雙電源電壓。一個(gè)電源(通常是較低的電壓)為內(nèi)核供電，第二個(gè)電源為I/O供電。降低內(nèi)核電壓，就可以把更多的晶體管集成到芯片中，而不會(huì)讓器件溫度超過(guò)其封裝的限制。

雖然使用雙線性調(diào)整器(它使用更方便、更節(jié)省空間和成本)不節(jié)省靜態(tài)電流，但是，卻對(duì)節(jié)省功率和系統(tǒng)中的電源分配有貢獻(xiàn)。節(jié)省電流是因?yàn)樵陔p調(diào)整器內(nèi)采用了共用電路，如帶隙參考電壓和電流源偏置線。

在單芯片上集成多顆調(diào)整器IC，則使用方便、節(jié)省空間和成本，但是，受到IC中容許的功率大小的限制。

改善封裝就容許單個(gè)封裝消耗更大的功率。通過(guò)采用金屬引線框材料(暴露的焊盤(pán), epad)，可以降低熱阻。與塑料封裝相比，金屬連接的引腳更容易傳導(dǎo)熱耗散。圖9所示為典型的暴露焊盤(pán)的封裝。該器件采用的是300mil、16引腳SOW暴露焊盤(pán)封裝，epad的面積為150 mil x 184 mil。