适合高效能模拟应用的线性电压稳压器
发布时间：2009-7-19 15:28
发布者：李宽
|
线性稳压器是电子产业中最长期且最广泛被应用的集成电路之一，自多年前问世以来，已经历多次重大的效能提升。本文说明多种线性稳压器架构的基本运作原则，并摘要说明其中最重要的参数，最后归结针对特定规格选用适当线性稳压器的要点。 基本线性稳压器运作 线性稳压器电路包含四个功能区块，分别是参考电压、导通组件(pass element)、取样电阻及误差放大器，如图 1 所示。  最小电压差及静态电流 最小电压差(Dropout Voltage) 稳压器若要正常的工作，输入端和输出端的电压差就必须超过某个最小值，这个值称为「最小电压差」。 最小电压差小于 1V 的线性稳压器通常被归类为低压降线性稳压器 (LDO)，而最小电压差大于 1V 的线性稳压器则被归类为标准线性稳压器。如果输入电压接近输出电压，而且需将功耗降至最低，此时就需要使用 LDO。 静态电流 静态电流也称为接地电流，这是指输入电流与输出电流之间的差异。若要发挥最大效率，需要低静态电流。静态电流包含偏移电流(例如带隙基准源、取样电阻及误差放大器电流)及串行导通组件的栅极/基极驱动电流，后者不会产生输出功率。静态电流值大部分是由串行导通组件和稳压器拓朴所决定。 线性电压稳压器的分类 线性电压稳压器是按照导通组件技术进行分类，包括：NPN-Darlington、NPN、PNP、PMOS 及 NMOS 稳压器。表 1 显示不同的类型以及一般最小电压差与静态电流特性。  与PMOS拓朴装置不同的是，输出电容器对于回路稳定性的影响不大。不论是搭配多颗电容器或甚至不搭配电容器，德州仪器推出的多款NMOS LDO都能稳定的运作。NMOS的瞬时响应也优于PMOS拓朴，对于低输入电压的应用更是如此。 高效能线性电压稳压器的特殊功能 最简易的电压稳压器只需要Vin、Vout及GND等三个终端，在线性稳压器的演进中，下一步则需要加入 ENABLE引脚，以便稳压器能够开关。 数字应用的稳定性需求使得稳压器必须整合电源电压监控(SVS) 的功能，这些功能能够将 RESET 或 POWER GOOD 输出提供给处理器。内部比较器会监视稳压器输出电压，并且使数字系统在出现欠压状况时启动复位。输出达到稳压状态时，会在经过一段时间后 (通常是 20 到 200ms) 停止复位。当输出电压低于要求输出电压的迟滞窗时，便会再度进行复位。 POWER GOOD指出 Vout的状态，而且通常用于启用其它电源以进行定序。当Vout超出POWER GOOD跳变阈值(通常是设定点电压的 97%) 时，POWER GOOD引脚会进入高阻抗状态，否则 POWER GOOD 会降低。 PLL 和 RF 电路的电源需要是低噪声的电源，才能发挥最高效能。过滤 LDO 的参考电压能够有效获得低噪声电源，支持此功能的 LDO 具有旁通引脚，能够在误差放大器的参考输出及输入之间连接一个滤波电容器。TPS79101 是这类 LDO 中很好的例子，它在 100Hz 至 100kHz 频率范围内只会产生 15mVRMS 的噪声。 FPGA 及处理器这类复杂的数字器件有时会在启动时出现高起动电流，当供电电压以缓慢上升的方式启动时，起动电流会降低。要做到这点，TPS74401这类的 LDO 必须具有整合的软启动功能，才能让使用者设定启动时电压上升的速度。 复杂数字系统需要的另一项功能是电压追踪，许多处理器在CORE和I/O电源引脚之间的静电放电架构往往有很大的压力，这项功能有助于降低这个压力。追踪功能使 LDO 输出电压能够追踪外部的电源(见图2)。  选用线性稳压器时，必须先考虑需要的输入电压范围、输出电压及电流。如果允许输入电压接近输出电压，务必确定最低的最小电压差不会限制需要的输入电压范围。另外，输出电压的准确性与应用所需的准确性相符也是很重要的。然后确认是否需要低噪声或特殊输出电容器 (若有必要) 等特定特性，最后，考虑 ENABLE、POWER GOOD 或定序等其它功能。考虑以上各点可将适用的线性稳压器范围缩小于特定的需求。 此外，选用线性稳压器时，也必须考虑通常会忽略的特定应用散热问题。大多数LDO稳压器都会指定给温度上限，以确保运作正常。此一上限限制了稳压器能够在任何特定应用中处理的功耗。首先计算实际功耗PD，用下式表示(不考虑静态电流)： PD = (Vin – Vout) ×Iout 其次计算允许功耗上限PD(max)，此上限是由下式决定：  其中TJ,max是允许温度上限 [℃]，TA 是环境温度 [℃]，RqJA 是封装的给处热阻抗 [℃/W]。 为确保给温度上限不超过可接受的限制范围，PD必须小于或等于 PD(max)。 功耗产生的热量是由线性稳压器的封装及外部散热器散出。影响散热能力的因素包括 PCB 设计、放置组件的位置、与电路板其它组件的互动情况、空气流通状况及海拔高度。如需线性稳压器设计的散热考虑详细信息，请参阅德州仪器应用说明事项 SLVA118《数字设计人员的线性电压稳压器及散热管理指南》。 |
网友评论