選擇 LDO 的方法

選擇 LDO 的方法

便攜應(yīng)用在基本條件之外提出更多要求

　 在選擇低壓降線性調(diào)節(jié)器(LDO) 時，需要考慮的基本問題包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負載電流范圍以及其封裝的功耗能力。但是，便攜式應(yīng)用需要考慮更多問題。接地電流或靜態(tài)電流 （IGND 或 IQ）、電源波紋抑止比 (PSRR)、噪聲與封裝大小通常是為便攜式應(yīng)用決定最佳 LDO 選擇的要素。

輸入、輸出以及降低電壓
選擇輸入電壓范圍可以適應(yīng)電源的LDO。下表列出了便攜式設(shè)備所采用的、流行的電池化學(xué)物質(zhì)的電壓范圍。

在確定 LDO 是否能夠提供預(yù)期輸出電壓時，需要考慮其壓降。輸入電壓必須大于預(yù)期輸出電壓與特定壓降之和，即 VIN > VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的電壓以下，則我們說 LDO 出現(xiàn)"壓降"，輸出等于輸入減去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以負載電流。

需要注意壓降時的性能變化。驅(qū)動旁路晶體管的誤差放大器完全打開或者出于"待發(fā)狀態(tài)"(cocked)，因此不產(chǎn)生任何環(huán)路增益。這意味著線路與負載調(diào)節(jié)很差。另外，PSRR 在壓降時也會顯著降低。

選用可提供預(yù)期輸出電壓的 LOD 作為節(jié)省外部電阻分壓器成本與空間的固定選項，外部電阻分壓器一般用于設(shè)置可調(diào)器件的輸出電壓。利用可調(diào) LDO 可以設(shè)置輸出，以提供內(nèi)部參考電壓，其一般為 1.2V 左右，只需把輸出連接到反饋引腳。請與廠商確認是否具備該功能。

負載電流要求
通考慮負載需要的電流量并據(jù)此選擇 LDO。請注意：額定電流為比如 150mA 的 LDO 可能會在短時間內(nèi)提供高出很多的電流。請查驗最低輸出電流限值規(guī)范，或者咨詢有關(guān)廠商。

電池電壓

封裝與功耗
便攜式應(yīng)用本質(zhì)存在空間限制，因此解決方案的大小至關(guān)重要。裸片可以最小化尺寸但是缺乏封裝的諸多優(yōu)勢，如：保護、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及能夠被現(xiàn)有裝配架構(gòu)輕松采用等特性。芯片級封裝 (CSP) 能在提供裸片的尺寸優(yōu)勢的同時還可以帶來封裝的許多優(yōu)勢。

在無線手持終端市場需求的推動下，CSP產(chǎn)品正不斷推陳出新。例如，采用0.84 x 1.348-mm CSP的德州儀器 (TI) 200mA RF LDO（參見圖1）預(yù)計將于9月份上市，其采用可實現(xiàn)輕松裝配以及高板級可靠性的技術(shù)。

其他小型封裝包括流行的3x3mm SOT-23、小型2.13x2.3mm SC-70以及亞1毫米高度封裝 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及無引線四方扁平封裝 (QFN)。由于在下側(cè)采用了能夠在器件與PC板之間建立高效散熱接觸的散熱墊，QFN 因而可提供更好的散熱特性。

請注意不要超過封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 進行計算。一般來說，封裝尺寸越小，功耗越小。但是QFN封裝可以提供極佳的散熱性能，這種性能完全可與尺寸是其1.5～2倍的眾多封裝相媲美。

LDO拓撲與IQ
為了最大化電池的運行時間，需要選擇相對于負載電流來說靜態(tài)電流IQ較低的LDO。例如，考慮到IQ 只增加0.02％的微不足道的電池消耗，在100mA負載情況下，一般采用200μA的IQ比較合理。

另外，還需要注意的是，由于電池放電特性，某些情況下壓降會對電池壽命產(chǎn)生決定性影響。由于堿性電池放電速度較慢，其電源電壓在壓降情況下可以提供比NiMH電池更多的容量。必須在 IQ 和壓降之間仔細權(quán)衡，以便在電池壽命期間獲得最大的容量，因此，較低的IQ并不能始終保證長電池壽命。

需要注意IQ 在雙極拓撲中的表現(xiàn)。IQ 不但隨負載電流變化很大，而且在壓降情況下會有所增加。

另外，需要注意在數(shù)據(jù)表中對IQ 是如何規(guī)定的。某些器件是在室溫條件下規(guī)定的，或者只提供顯示IQ與溫度關(guān)系的典型曲線。盡管這些情況有用，但是并不能保證最大的靜態(tài)電流。如果IQ 比較重要，則需要選擇在所有負載、溫度和工藝變量情況下都能保證IQ 的器件，并且需要選擇MOS類旁路器件。

輸出電容器
典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對電容器穩(wěn)定性方面沒有要求的LDO，可以降低尺寸與成本，另外還可以完全消除這些元件。請注意，利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。

陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。請注意，輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10豪歐量級，而鉭電容器ESR在100豪歐量級。另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會對LDO性能產(chǎn)生不利影響。如果溫度變化不大，而且電容器和接地之間串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ㄒ话?00m），可以取代陶瓷電容器而使用鉭電容器。需要咨詢LDO廠商以確保正確的實施。

RF與音頻應(yīng)用
最后，考慮便攜式應(yīng)用中所采用的、專用電路的功率要求。

RF電路（包括LNA（低噪聲放大器）、升壓/降壓轉(zhuǎn)換器、混頻器、PLL、VCO、IF放大器和功率放大器），需要采用具有低噪聲和高PSRR的LDO。在設(shè)計現(xiàn)代收發(fā)系統(tǒng)時應(yīng)非常小心，以保證低噪聲和高線性。

電源噪聲會增加VCO的相位噪聲，而且會進入接收或發(fā)送放大器。在W-CDMA等流行手機技術(shù)對頻譜再生和鄰道功率提出嚴(yán)格要求的情況下，進入放大器的基/柵或收集器/漏極電源的極少量電源噪聲就會產(chǎn)生鄰道噪聲或假信號。

為了滿足手機、MP3、游戲以及多媒體PDA應(yīng)用等便攜式設(shè)備中的音頻需求，可能需要300～500mA的LDO。而且，為了獲得良好的音頻質(zhì)量，這種LDO在音頻頻率（20Hz~20kHz）時應(yīng)該是低噪聲并可提供高PSRR。

線性穩(wěn)壓器件補償和波特圖分析

一個包含三個極點和一個零點的波特圖將用來分析增益和相位裕度。假設(shè)直流增益為80dB，第一個極點發(fā)生在100Hz處。在此頻率時，增益曲線的斜度變?yōu)椋?0dB/十倍頻程。1kHz處的零點使斜度變?yōu)?dB/十倍頻程，到10kHz處增益曲線又變成－20dB/十倍頻程。在100kHz處的第三個也是最后一個極點將增益斜度最終變?yōu)椋?0dB/十倍頻程。

???? 也可以看到單位增益點（0dB）交點頻率是1MHz。0dB頻率通常稱為回路帶寬（loop bandwidth）。相位偏移圖表示了零、極點的不同分布對反饋信號的影響。根據(jù)分布的零極點計算相移的總和。在任意頻率（f）上的極點相移，可以通過下式計算獲得：

??? 極點相移＝ －arctan(f/fp)

在任意頻率（f）上的零點相移，可以通過下式計算獲得：

??? 零點相移＝ －arctan(f/fz)

此回路穩(wěn)定么？為了回答這個問題，我們只需要知道0dB時的相移（是1MHz）。根本無需復(fù)雜的計算。

???? 前兩個極點和第一個零點分布使相位從－180°變到＋90°，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)相位轉(zhuǎn)變到－90°。最后一個極點在十倍頻程中出現(xiàn)了0dB點。使用零點相移公式，該極點產(chǎn)生了－84°的相移（在1MHz時）。加上原來的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是說相位裕度是6°）。該回路可能引起振蕩。

?NPN 穩(wěn)壓器補償

NPN 穩(wěn)壓器的導(dǎo)通管的連接方式是共集電極的方式。所有共集電極電路的一個重要特性就是低輸出阻抗。也就意味著電源范圍內(nèi)的極點出現(xiàn)在回路增益曲線的高頻部分。由于NPN穩(wěn)壓器沒有固有的低頻極點，所以它使用了一種稱為主極點補償（dominant pole compensation）的技術(shù)。此時，在IC的內(nèi)部集成了一個電容，該電容在環(huán)路增益的低頻端添加了一個極點。

?NPN穩(wěn)壓器的主極點（P1）一般設(shè)置在100Hz處。100Hz處的極點將增益減小為－20dB/十倍頻程直到3MHz處的第二個極點（P2）。在P2處，增益曲線的斜率又增加了－20dB/十倍頻程。P2點的頻率主要取決于NPN功率管及相關(guān)驅(qū)動電路，因此有時稱此點為功率極點（power pole）。因為P2點在回路增益為－10dB處出現(xiàn)，也就表示了0dB頻率處（1MHz）的相位偏移會很小。

???? 為了確定穩(wěn)定性，只需要計算0dB頻率處的相位裕度：

??? 第一個極點（P1）會產(chǎn)生－90°的相位偏移，但是第二個極點（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz處）。也就是說0dB點處的相位偏移為－108°，相位裕度為72°（非常穩(wěn)定）。應(yīng)該提起注意的是，回路很顯然是穩(wěn)定的。因為需要兩個極點才有可能使回路要達到－180°的相位偏移（不穩(wěn)定點），而P2又分布在高頻位置，它在0dB處的相位偏移就很小了。

?LDO 穩(wěn)壓器的補償

??? LDO穩(wěn)壓器中的PNP導(dǎo)通管的接法為共射方式（common emitter）。它相對共集電極方式有更高的輸出阻抗。由于負載阻抗和輸出容抗的影響在低頻程處會出現(xiàn)低頻極點（low－frequency pole）。此極點（稱為負載極點（load pole）用Pl表示）的頻率由下式獲得：

F(Pl) ＝1/(2π×Rload×Cout)。從此式可知，不能通過簡單的添加主極點的方式實現(xiàn)補償。

?為了解釋為什么會這樣，先假設(shè)一個5V/50mA的LDO穩(wěn)壓器有下面的條件：

在最大負載電流時，負載極點（Pl）出現(xiàn)的頻率為：

Pl＝1/(2π×Rload×Cout)＝1/(2π×100×10-5)＝160Hz

假設(shè)內(nèi)部的補償在1kHz處添加了一個極點。由于PNP功率管和驅(qū)動電路的存在，在500kHz處會出現(xiàn)一個功率極點（Ppwr）。

假設(shè)直流增益為80dB。Rl ＝100Ω（在最大負載電流時的值），Cout＝10uF。

????? 可以看出回路是不穩(wěn)定的：極點PL和P1每個都會產(chǎn)生－90°的相移。在0dB處（此例為40kHz），相移達到了－180°為了減少負相移（阻止振蕩），在回路中必須要添加一個零點。一個零點可以產(chǎn)生＋90°的相移，它會抵消兩個低頻極點的部分影響?；旧纤械腖DO穩(wěn)壓器都需要在回路中添加這個零點。該零點一般是通過輸出電容的一個特性：等效串聯(lián)電阻（ESR）獲得的。

?使用ESR補償LDO

等效串聯(lián)電阻（ESR）是每個電容共有的特性?？梢詫㈦娙荼硎緸殡娮枧c電容的串聯(lián)。輸出電容的ESR在回路增益中產(chǎn)生一個零點，可以用來減少負相移。零點出現(xiàn)的頻率值與ESR和輸出電容值直接相關(guān)：Fzero＝ 1/(2π×Cout×ESR)。使用上一節(jié)的例子，我們假設(shè)輸出電容值Cout＝10uF而且輸出電容的ESR＝1Ω。則零點發(fā)生在16kHz。

?? 添加此零點如何使不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)：

????? 回路的帶寬增加了所以0dB的交點頻率從30kHz移到了100kHz。到100kHz處該零點總共增加了＋81°相移。也就是減少了PL和P1造成的負相移。因為極點Ppwr處在500kHz，在100kHz處它僅增加了－11°的相移。累積所有的零、極點，0dB處的總相移現(xiàn)在為－110°。也就是有＋70°的相位裕度，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。這也就解釋了具有正確ESR值的輸出電容是可以產(chǎn)生零點來穩(wěn)定LDO系統(tǒng)的