如何用LILO LDO 提高系統(tǒng)效率

1.前言

LDO即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩(wěn)壓器 。這是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器 來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5V轉(zhuǎn)3.3V，輸入與輸出之間的壓差只有1.7v，顯然這是不滿足傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的工作條件的。

LDO 使用在其飽和區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或場效應(yīng)管（FET），從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO通常使用功率管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

2.LILO LDO的高效率

電源的高效率歷來歸因于開關(guān)控制器或轉(zhuǎn)換器，而設(shè)計人員則認為線性穩(wěn)壓器 (LDO) 的效率很差。但線性穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)已變?yōu)閱?n 溝道 p 溝道 n 溝道 (NPN)/p 溝道 n 溝道 p 溝道 (PNP) 或 p 溝道金屬氧化物半導體 (PMOS)/n 溝道 MOS (NMOS) 傳輸晶體管有助于實現(xiàn)非常低的壓差。

便攜式系統(tǒng)中出現(xiàn)了三種主要的電源趨勢：降低總線電壓、壓縮電壓轉(zhuǎn)換和降低靜態(tài)電流 (I Q )。這些趨勢導致了低輸入低輸出 (LILO) LDO 的發(fā)展。

隨著總線電壓降低，LDO 的最低輸入電壓要求也隨之降低。隨著總線軌降至 1.5V 以下，傳統(tǒng)的 LDO 拓撲開始達到其極限，因為輸入電壓軌為所有內(nèi)部電路供電。逐漸降低的輸入電壓導致 LILO LDO 越來越受歡迎。

LILO LDO 使用 NMOS 傳輸晶體管和偏置軌來實現(xiàn)低壓差。使用NMOS的優(yōu)點通過晶體管是，它具有較低的漏極-源極電阻（[R DS（ON） ）比PMOS。它還需要一個正柵源電壓 (VGS) 才能工作。由于這種拓撲結(jié)構(gòu)，偏置軌由更高的電壓供電，并為 LDO 的大部分內(nèi)部電路供電，因此 LDO 可以在較低的輸入電壓下工作。

NMOS 晶體管的主要優(yōu)點之一是低R DS(on)，與 PMOS 晶體管相比，它允許單位面積的壓降更小，從而在保持小尺寸的同時實現(xiàn)更小的壓降。圖 1 顯示了 NMOS LDO 的典型拓撲，從該圖中可以看出，該 LDO 需要偏置引腳才能正常工作。 

圖 1：NMOS LDO 拓撲

正如我所說，LILO LDO 的兩個優(yōu)勢是較低的輸入電壓和較低的壓差。后一個優(yōu)勢可以提高效率，與開關(guān)模式電源的效率相當。對于所有電源，我們可以使用公式 1 作為輸入和輸出功率的函數(shù)來計算效率：

對于像TPS7A10 這樣的 LILO LDO ，我們可以使用公式 2 計算效率，因為 LDO 同時具有偏置軌和輸入電壓軌：

    (2)

如果負載電流遠大于 I，則Q效率方程可以簡化，如方程 3 所示：

        (3)

我們可以看到，提高 LDO 效率的最快方法是通過降低壓差使輸入和輸出電壓更接近。

在便攜式電子產(chǎn)品中，使用 LDO 供電的傳感器很常見，因為開關(guān)轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生太多噪聲。設(shè)計人員將使用低 I Q LDO，相信它們會在負載脈沖時延長系統(tǒng)的電池壽命。這不一定是最有效的解決方案；然而，由于負載開啟期間的大功率耗散會導致效率急劇下降。

圖 2 顯示了用于實現(xiàn)便攜式系統(tǒng)的兩種常見電源配置。一種使用通用低 I Q LDO，另一種使用低 I Q LILO LDO。比較兩種解決方案之間的功耗，通用低 I Q LDO 的功耗為 2.7mW，而 LILO LDO 的功耗為 1.8mW（見表 1）。使用 LILO LDO 將效率從 55% 提高到 82%，即使LILO LDO的總 I Q更高。

圖 2：低 I Q LDO 與 LILO LDO

表 1：效率計算

如我們所見，如果電池壽命和效率是我們的主要關(guān)注點，那么在便攜式應(yīng)用中實施 LILO LDO 有明顯的好處。降低輸入和輸出電壓之間的差異使這些 LDO 能夠?qū)崿F(xiàn)超過 80% 的效率。一旦理解了這一點，我們就可以為我們的應(yīng)用選擇合適的 LDO。