現(xiàn)代便攜式設(shè)備需要新型LDO

在從電源(無論是交流線路還是電池)到電子負(fù)載的長電氣路徑中，通常需要低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器來覆蓋“最后一英里”。在這里，嘈雜的開關(guān)穩(wěn)壓器讓位，轉(zhuǎn)而使用安靜的 LDO 來為關(guān)鍵電子負(fù)載供電。LDO 一直在與其他電源管理電子設(shè)備一起不斷更新或發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，LDO 不僅變得更加安靜，而且更加可靠、準(zhǔn)確、容錯(cuò)、強(qiáng)大和高效，并具有適應(yīng)手頭應(yīng)用的多種功能。

圖 1. 最先進(jìn)的低壓差穩(wěn)壓器：比一滴水還小。

微型無線 4G 基站等近期應(yīng)用對(duì)本已很小的 LDO 提出了挑戰(zhàn)，要求其變得更小，同時(shí)提供更多功率。在本文中，我們將回顧 LDO 的主要特性，同時(shí)將現(xiàn)代 CMOS LDO 與舊的雙極主力進(jìn)行比較。隨后，我們將回顧每個(gè) LDO 參數(shù)如何幫助解決特定的應(yīng)用問題。然后，我們將推出一個(gè)新的 LDO 系列，其特性可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化、增強(qiáng)容錯(cuò)性并支持廣泛的現(xiàn)代應(yīng)用。

LDO 已取得長足進(jìn)步

表 1 比較了具有集成 PNP 傳輸晶體管(2.1 至 16V 輸入電壓)的開創(chuàng)性雙極 LDO 穩(wěn)壓器與具有集成 PMOS 傳輸晶體管(1.7 至 5.5 -V 輸入)。從列出的所有特性中可以看出，CMOS LDO 的性能比舊的雙極型 LDO 高 1.5 到 8 倍!

表 1：雙極與 CMOS LDO 穩(wěn)壓器比較。

以下 LDO 參數(shù)對(duì)于手頭的應(yīng)用很重要：

低噪聲和高 PSRR。在有線和無線通信系統(tǒng)中，LDO 為敏感的模擬電路(PLL、VCO、RF)提供清潔電源。LDO 必須具有良好的電源抑制比 (PSRR) 才能將其負(fù)載與其源極隔離，這可能是由于開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲所致。低頻譜噪聲 (V RMS /√Hz) 將最大限度地減少 RF 解調(diào)器中的線性退化以及 PLL 和 VCO 電路中的相位噪聲。

低功耗。 雖然功耗是 LDO 的致命弱點(diǎn)，但具有 100mV 壓差 (500mA x 200mΩ) 的 5V、500mA LDO 在與 5.1V 輸入 (50mW損失)，可與一些最好的開關(guān)穩(wěn)壓器相媲美。如果使用得當(dāng)，可以利用 LDO 的特性而不必遭受其缺點(diǎn)。

低靜態(tài)電流。在運(yùn)行中，LDO 的靜態(tài)電流會(huì)消耗額外的功率。具有 5V 輸入的 4mA 靜態(tài)電流(如表 1中的雙極 LDO 所示)將耗散 20mW。這使監(jiān)管機(jī)構(gòu)失去了幾乎另一個(gè)完整百分點(diǎn)的效率。CMOS 穩(wěn)壓器只有 365 μA 的靜態(tài)電流，可以將這種損耗降低十倍。這很重要，因?yàn)樵诒銛y式應(yīng)用中，低靜態(tài)電流與低壓差一樣重要。

輸出精度高。由于輸出電壓高于標(biāo)稱值，即使在可接受的容差范圍內(nèi)，也會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。在 5 V 和 500 mA 的精度為 4% 時(shí)，您將看到功耗增加 4% x 5 V x 500 mA = 100 mW。這與前一種情況的傳輸晶體管的損失一樣昂貴!這對(duì)于耗電的便攜式應(yīng)用來說是不夠的。

低泄漏。即使不運(yùn)行，LDO 也需要高效運(yùn)行?？纱┐髟O(shè)備的尺寸通常非常小，并且必須在運(yùn)行和貨架上持續(xù)很長時(shí)間。在這兩種模式下最小化尺寸和功耗是至關(guān)重要的。在關(guān)機(jī)模式下上架時(shí)，該設(shè)備可能需要使用長達(dá)三年，這需要非常低的泄漏電流。

新要求：反向電流保護(hù)。反向電流保護(hù)是現(xiàn)有 LDO 中很少發(fā)現(xiàn)的一項(xiàng)新功能。在電池供電的設(shè)備中，負(fù)載通常通過具有 MOSFET 傳輸晶體管的高效 CMOS LDO 進(jìn)行調(diào)節(jié)，該晶體管在輸入和輸出之間承載反向偏置的本征二極管。

反向電流保護(hù)可防止在 LDO 輸入端的降壓穩(wěn)壓器關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)較大的反向電流，從而將輸入短路至 GND。大 LDO 輸出電容的放電能量通過 LDO 傳輸晶體管的本征二極管造成損壞。允許低反向電流。超過設(shè)定閾值 (200 mA)，反向電流被完全阻斷。

新要求：小型化。如表 1所示，LDO 封裝小型化方面進(jìn)展甚微。這部分是由于可靠性問題。在汽車引擎蓋下應(yīng)用等惡劣環(huán)境中，TDFN-8 等引線框架 IC 封裝是首選，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，它們已證明其高可靠性。引線框架技術(shù)本質(zhì)上是空間效率低下的。

另一方面，在消費(fèi)者和無線通信應(yīng)用中，尺寸是一個(gè)主要問題。幸運(yùn)的是，這些環(huán)境相對(duì)溫和且沒有壓力，為創(chuàng)新提供了機(jī)會(huì)。

我們能否保留 LDO 電氣參數(shù)取得的所有進(jìn)步，并添加額外的功能，例如具有反向電流保護(hù)的容錯(cuò)和無線應(yīng)用的小型化?一個(gè)新的 LDO 系列積極地應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)。

最先進(jìn)的解決方案CMOS LDO的出色參數(shù)如表 1所示， 適用于MAX38902A / MAX38902B / MAX38902C / MAX38902D系列 LDO 穩(wěn)壓器。更進(jìn)一步，這個(gè)新系列通過提供晶圓級(jí)封裝技術(shù)選項(xiàng)解決了小型化問題，從而最大限度地減少了 PCB 空間的使用。此外，它還通過 LDO 電源系統(tǒng)的新穎實(shí)現(xiàn)解決了反向電流保護(hù)問題。讓我們更詳細(xì)地回顧一下這些創(chuàng)新：

晶圓級(jí)封裝。微型 4G 基站小到可以放在背包里，而且功能仍然非常強(qiáng)大。在這里，為 RF 部分供電的 LDO 必須小巧而強(qiáng)大，可提供數(shù)百毫安的電流。這個(gè)較新的 LDO 系列的 C 和 D 版本采用晶圓級(jí)封裝 (WLP) 技術(shù)來提高小型化程度。圖 2 說明了采用 WLP-6 封裝的 500-mA LDO 穩(wěn)壓器如何占據(jù) TDFN-8 封裝空間的大約四分之一(以及圖 4的 SOT23-5 的十六分之一)。WLP-6 解決方案非常適合需要最小 PCB 空間的應(yīng)用。

圖 2：MAX38902C/D WLP-6 封裝優(yōu)勢(shì)。

反向電流保護(hù)。傳輸元件(圖 3中的 T1 )是一個(gè)低 R DSON p 溝道 MOSFET 晶體管。內(nèi)部電路檢測(cè) MOSFET 漏源電壓，除了驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O外，還保持體二極管反向偏置。這一額外步驟允許器件在其極性反轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)得像一個(gè)真正的開路開關(guān)(LDO OUT 比 LDO IN 高 10 mV)。在適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng) (CONTROL) 下，正的漏源電壓使 MOSFET “導(dǎo)通”，電流在正常模式下流動(dòng)，而體二極管再次反向偏置。

這一創(chuàng)新功能可保護(hù)負(fù)載和 LDO 免受意外輸入短路的影響，從而使系統(tǒng)具有更高的容錯(cuò)能力。

圖 3：MAX38902A/B/C/D 反向電壓保護(hù)。

高可靠性應(yīng)用。工業(yè)和汽車應(yīng)用的特點(diǎn)是工作溫度范圍寬。在此，可能首選更能承受溫度引起的 PCB 表面機(jī)械應(yīng)力的引線框架封裝。在這種情況下，現(xiàn)代 TDFN 封裝(A 和 B 版本)提供的解決方案大約是更傳統(tǒng)的 SOT23-5 或類似封裝的一半占位面積和三分之二的高度(圖 4)。

圖 4：MAX38902A/B TDFN-8 封裝優(yōu)勢(shì)。

低噪音性能。 圖 5 顯示了該系列器件的頻譜噪聲密度。它的品質(zhì)因數(shù)低至 30 nV/√Hz)，是許多低噪聲應(yīng)用的絕佳選擇。

圖 5：MAX38902A/B 噪聲性能。

高 PSRR 性能。 圖 6 顯示了從 100 Hz 到 10 MHz 的 PSRR 曲線。該系列的品質(zhì)因數(shù)高達(dá) 62 dB，是模擬或數(shù)字噪聲敏感應(yīng)用的絕佳選擇。

圖 6：MAX38902A/B PSRR。

結(jié)論

LDO 自最初推出以來，通過適應(yīng)不斷發(fā)展的應(yīng)用程序的需求，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。我們回顧了經(jīng)典的 LDO 參數(shù)并討論了從雙極到 CMOS 實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)。接下來，我們討論了反向電流保護(hù)的挑戰(zhàn)以及許多現(xiàn)代便攜式應(yīng)用所需的小型化。新的 LDO 系列 (MAX38902A/B/C/D) 通過新的電源系統(tǒng)架構(gòu)解決了前一個(gè)問題，并通過采用晶圓級(jí)封裝選項(xiàng)解決了后一個(gè)問題。對(duì)于工業(yè)和汽車應(yīng)用等具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用環(huán)境，也可以使用傳統(tǒng)的引線框架封裝技術(shù)。

基本 LDO 的多個(gè)版本的可用性支持不同的應(yīng)用程序。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了幾個(gè)“首選”LDO，可以利用它們來節(jié)省大量成本和開發(fā)時(shí)間。

審核編輯：湯梓紅