適合高效能模擬應用的線性電壓穩壓器
發布時間：2009-7-19 15:28
發布者：李寬
|
線性穩壓器是電子產業中最長期且最廣泛被應用的集成電路之一，自多年前問世以來，已經歷多次重大的效能提升。本文說明多種線性穩壓器架構的基本運作原則，并摘要說明其中最重要的參數，最后歸結針對特定規格選用適當線性穩壓器的要點。 基本線性穩壓器運作 線性穩壓器電路包含四個功能區塊，分別是參考電壓、導通組件(pass element)、取樣電阻及誤差放大器，如圖 1 所示。 最小電壓差及靜態電流 最小電壓差(Dropout Voltage) 穩壓器若要正常的工作，輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某個最小值，這個值稱為「最小電壓差」。 最小電壓差小于 1V 的線性穩壓器通常被歸類為低壓降線性穩壓器 (LDO)，而最小電壓差大于 1V 的線性穩壓器則被歸類為標準線性穩壓器。如果輸入電壓接近輸出電壓，而且需將功耗降至最低，此時就需要使用 LDO。 靜態電流 靜態電流也稱為接地電流，這是指輸入電流與輸出電流之間的差異。若要發揮最大效率，需要低靜態電流。靜態電流包含偏移電流(例如帶隙基準源、取樣電阻及誤差放大器電流)及串行導通組件的柵極/基極驅動電流，后者不會產生輸出功率。靜態電流值大部分是由串行導通組件和穩壓器拓樸所決定。 線性電壓穩壓器的分類 線性電壓穩壓器是按照導通組件技術進行分類，包括：NPN-Darlington、NPN、PNP、PMOS 及 NMOS 穩壓器。表 1 顯示不同的類型以及一般最小電壓差與靜態電流特性。 與PMOS拓樸裝置不同的是，輸出電容器對于回路穩定性的影響不大。不論是搭配多顆電容器或甚至不搭配電容器，德州儀器推出的多款NMOS LDO都能穩定的運作。NMOS的瞬時響應也優于PMOS拓樸，對于低輸入電壓的應用更是如此。 高效能線性電壓穩壓器的特殊功能 最簡易的電壓穩壓器只需要Vin、Vout及GND等三個終端，在線性穩壓器的演進中，下一步則需要加入 ENABLE引腳，以便穩壓器能夠開關。 數字應用的穩定性需求使得穩壓器必須整合電源電壓監控(SVS) 的功能，這些功能能夠將 RESET 或 POWER GOOD 輸出提供給處理器。內部比較器會監視穩壓器輸出電壓，并且使數字系統在出現欠壓狀況時啟動復位。輸出達到穩壓狀態時，會在經過一段時間后 (通常是 20 到 200ms) 停止復位。當輸出電壓低于要求輸出電壓的遲滯窗時，便會再度進行復位。 POWER GOOD指出 Vout的狀態，而且通常用于啟用其它電源以進行定序。當Vout超出POWER GOOD跳變閾值(通常是設定點電壓的 97%) 時，POWER GOOD引腳會進入高阻抗狀態，否則 POWER GOOD 會降低。 PLL 和 RF 電路的電源需要是低噪聲的電源，才能發揮最高效能。過濾 LDO 的參考電壓能夠有效獲得低噪聲電源，支持此功能的 LDO 具有旁通引腳，能夠在誤差放大器的參考輸出及輸入之間連接一個濾波電容器。TPS79101 是這類 LDO 中很好的例子，它在 100Hz 至 100kHz 頻率范圍內只會產生 15mVRMS 的噪聲。 FPGA 及處理器這類復雜的數字器件有時會在啟動時出現高起動電流，當供電電壓以緩慢上升的方式啟動時，起動電流會降低。要做到這點，TPS74401這類的 LDO 必須具有整合的軟啟動功能，才能讓使用者設定啟動時電壓上升的速度。 復雜數字系統需要的另一項功能是電壓追蹤，許多處理器在CORE和I/O電源引腳之間的靜電放電架構往往有很大的壓力，這項功能有助于降低這個壓力。追蹤功能使 LDO 輸出電壓能夠追蹤外部的電源(見圖2)。 選用線性穩壓器時，必須先考慮需要的輸入電壓范圍、輸出電壓及電流。如果允許輸入電壓接近輸出電壓，務必確定最低的最小電壓差不會限制需要的輸入電壓范圍。另外，輸出電壓的準確性與應用所需的準確性相符也是很重要的。然后確認是否需要低噪聲或特殊輸出電容器 (若有必要) 等特定特性，最后，考慮 ENABLE、POWER GOOD 或定序等其它功能�？紤]以上各點可將適用的線性穩壓器范圍縮小于特定的需求。 此外，選用線性穩壓器時，也必須考慮通常會忽略的特定應用散熱問題。大多數LDO穩壓器都會指定給溫度上限，以確保運作正常。此一上限限制了穩壓器能夠在任何特定應用中處理的功耗。首先計算實際功耗PD，用下式表示(不考慮靜態電流)： PD = (Vin – Vout) ×Iout 其次計算允許功耗上限PD(max)，此上限是由下式決定： 其中TJ,max是允許溫度上限 [℃]，TA 是環境溫度 [℃]，RqJA 是封裝的給處熱阻抗 [℃/W]。 為確保給溫度上限不超過可接受的限制范圍，PD必須小于或等于 PD(max)。 功耗產生的熱量是由線性穩壓器的封裝及外部散熱器散出。影響散熱能力的因素包括 PCB 設計、放置組件的位置、與電路板其它組件的互動情況、空氣流通狀況及海拔高度。如需線性穩壓器設計的散熱考慮詳細信息，請參閱德州儀器應用說明事項 SLVA118《數字設計人員的線性電壓穩壓器及散熱管理指南》。 |
網友評論