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低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的壓差和功耗

發(fā)布時(shí)間:2010-11-22

中心議題:
  • 線性穩(wěn)壓器(LDO)的輸入、輸出壓差設(shè)計(jì)
  • 線性穩(wěn)壓器(LDO)的功耗設(shè)計(jì)
便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維,在開(kāi)發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí),諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品,如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,則會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和功率分配架構(gòu)等。同樣,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器,一般都設(shè)有幾個(gè)不同的工作狀態(tài),通過(guò)一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對(duì)電池容量的消耗。即當(dāng)用戶(hù)的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí),處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是不錯(cuò)的選擇。
  
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò),保護(hù)電路等,基本工作原理是這樣的:系統(tǒng)加電,如果使能腳處于高電平時(shí),電路開(kāi)始啟動(dòng),恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置,基準(zhǔn)源電壓快速建立,輸出隨著輸入不斷上升,當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí),由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值,此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大,再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出,從而形成負(fù)反饋,保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上;同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化,這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變,即:
  VOUT=(R1+R2)/R2*Vref


 
產(chǎn)生壓差的主要原因是,在調(diào)整元件中有一個(gè)P溝道的MOS管。當(dāng)LDO工作時(shí)MOS管道通等效為一個(gè)電阻,RDS(ON),
  VDROPOUT=VIN-VOUT=RDS(ON)xIOUTR.
  
由此得出低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的一個(gè)重要特性,在輸入電壓大于最小工作電壓和輸出電壓其標(biāo)稱(chēng)值范圍內(nèi),負(fù)載電流為零時(shí),輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化,這就是LDO的跟隨特性,待輸出電壓達(dá)到其標(biāo)稱(chēng)值后不隨輸入而變化,從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的,這就是LDO的穩(wěn)壓特性。如圖為圣邦微電子的SGM2007輸入電壓和輸出電壓的曲線。



在測(cè)試壓差(Dropout)時(shí)不同的廠家有不同的標(biāo)準(zhǔn)。德州儀器(TI)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2%時(shí)的輸入、輸出電壓的差值.其它的如,美信(Maxim),圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV時(shí)的輸入、輸出電壓的差值.如圖為圣邦微電子的SGM2007負(fù)載為300mA時(shí)輸入電壓和輸出電壓的曲線。

如圖在箭頭范圍內(nèi),輸入和輸出和箭頭組成的圖形在一定范圍內(nèi)近試為平行四邊形,在平行四邊的邊上任取一點(diǎn),做與另一邊平行的線段,由平行四邊形的定義可知和另一邊相等。所以這兩種測(cè)試方法只是取值點(diǎn)不同而已,對(duì)同一芯片而言,兩種方法測(cè)得值幾乎相同。

在TMT生產(chǎn)測(cè)試中,也有兩種測(cè)試方法,一種是循環(huán)法,輸入在某一個(gè)確定值時(shí),以步長(zhǎng)為1mV下降,至道輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2%,或輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV時(shí)停止,這種方法循環(huán)的步長(zhǎng)越多,測(cè)試的時(shí)間就越長(zhǎng),對(duì)芯片的成本就越高,令一種方法是,輸入固定電壓法,輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形,只要我的取值點(diǎn)在平行四邊形內(nèi),測(cè)得的值就是相同的,所以通常是根據(jù)具體的LDO的Dropout的大小,輸入加上某一個(gè)值,使輸出電壓約等于較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2%或較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV。例如Dropout在150mA時(shí)為100mV,那么輸入可以等于輸出,這樣測(cè)的輸出比標(biāo)稱(chēng)值小于100mV,等于這樣測(cè)一次就可以了,節(jié)約了大量的時(shí)間,降低生產(chǎn)成本。
  
單體鋰離子電池充足電時(shí)的電壓為4.2V,放完電后的電壓為2.3V,而有些標(biāo)定電壓為3.3V工作的微處理器DSP的最低工作電壓可以達(dá)到2.9V。這樣LDO輸出值在小于標(biāo)稱(chēng)值的一定范圍內(nèi)還是可以工作的。由上圖可見(jiàn),LDO的壓差越小,輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形越長(zhǎng),LDO的工作時(shí)間就越長(zhǎng)效率就越高,電池的待機(jī)時(shí)間也就會(huì)越長(zhǎng)。
  
低壓差線性穩(wěn)壓器由于存在壓差,它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如,如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱(chēng)的3.6V,在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓,那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%,因此在手機(jī)中產(chǎn)生了一些發(fā)熱點(diǎn),并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言,確實(shí)存在這些缺點(diǎn),但是當(dāng)電壓差較小時(shí),情況就不同了。例如,如果電壓從1.5V降至1.2V,效率就變成了80%。
  
低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓,輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來(lái)計(jì)算最?lèi)毫忧闆r下的功耗:
  PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中:PD=最?lèi)毫忧闆r下的實(shí)際功耗,VINMAX=VIN腳上的最大電壓,VOUTMIN=穩(wěn)壓器輸出的最小電壓,ILMAX=最大(負(fù)載)輸出電流。
  
最大允許功耗(PDMAX)是最大環(huán)境溫度(*AX),最大允許結(jié)溫(TJMAX)(+125°C)和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻(θJA)的函數(shù)。對(duì)于安裝在典型雙層FR4電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23A封裝器件,其(θJA)約為250°C/Watt。
  PDMAX=(*AX-TJMAX)/θJA
  VINMAX=3.0V+10%,VOUTMIN=2.7V-2.5%,ILOADMAX=40mA,TJMAX=+125°C,*AX=+55°C
  實(shí)際功耗PD=26.7mW,最大允許功耗:PDMAX=280mW.
  
在低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的使用過(guò)程中一定要注意合理分配LDO實(shí)際功耗,不要超過(guò)他的最大功耗。以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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