由 LDO 穩(wěn)壓器實現(xiàn)高效率、低電壓轉(zhuǎn)換和單電源運作

背景
    低電壓降壓型穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換可運用多種方法來實現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠在寬電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高效運作，但其正常操作需要使用磁性元件及電容器。另外，也可以采用充電泵 (或開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 來實現(xiàn)較低電壓轉(zhuǎn)換，但這種方案的輸出電流能力有限，而且需要外部電容器以實現(xiàn)運作及穩(wěn)定性。如今，新式設(shè)計方法和晶圓制造工藝已使低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 能夠進(jìn)入該應(yīng)用領(lǐng)域。不過，只是近期才出現(xiàn)了一款可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、低壓差電壓、低電壓運作 (<0.6V 輸出)、高輸出電流能力和單電源操作的 LDO。
目前這一代快速、大流、低壓數(shù)字 IC (例如：FPGA、CPU 和 ASIC) 對那些負(fù)責(zé)給內(nèi)核及 I/O 通道供電的電源提出了嚴(yán)苛的要求。然而，從功率輸送的角度來看這些數(shù)字 IC 并不可靠。傳統(tǒng)上，人們采用高效開關(guān)穩(wěn)壓器來為這些器件供電，但它們具有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態(tài)響應(yīng)和布局方面的局限性。因此，LDO 正作為一種替代方案而逐步被這些應(yīng)用以及其他低電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所接納，不過它也存在自身特有的局限性。然而，由于近期的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能提升，這種趨勢正在發(fā)生改變，而且，最新面市的新款 LDO 在性能上所做的折衷非常之少 (如果有的話)。

基本的設(shè)計挑戰(zhàn)
    大量的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器采用單個電壓源來執(zhí)行低壓差操作，但無法實現(xiàn)非常低電壓轉(zhuǎn)換 (<0.6V 輸出)。PMOS LDO 能實現(xiàn)此壓差并采用單電源運行，但由于傳輸晶體管的 Vgs 特性而在低輸入電壓條件下受到限制。NMOS 型器件可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但需要使用兩個電源以對器件施加偏置。NPN 穩(wěn)壓器能提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但不是需要兩個電源電壓就是需要較高的壓差。相比之下，利用正確的設(shè)計架構(gòu)，PNP 穩(wěn)壓器能夠在采用單個電源的情況下實現(xiàn)低壓差和低電壓轉(zhuǎn)換以及無懈可擊的保護(hù)功能。
由于工藝技術(shù)節(jié)點的尺寸持續(xù)縮小，因而要求這些數(shù)字 IC 和其他系統(tǒng)在較低的電壓條件下運作。對于很多現(xiàn)有的輸入電壓軌來說，較大電流及較低輸出電壓運作需要增加線性穩(wěn)壓器中的功耗。功耗的這種增加將轉(zhuǎn)化為熱量；所以，必需采用最先進(jìn)的封裝以盡量降低穩(wěn)壓器內(nèi)部的溫升，并減少應(yīng)用中的熱問題。具低壓差運作能力 (可最大限度地減小輸入和輸出電壓之間的差異、且穩(wěn)壓器保持輸出調(diào)節(jié)作用和穩(wěn)定性) 的線性穩(wěn)壓器減少了功率耗散的熱考量因素。
對高電源抑制比 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲的要求是兩個額外的難題。具有高電源抑制比性能的器件可輕松地濾除和抑制來自輸入的噪聲，從而產(chǎn)生一個干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，對于當(dāng)今那些需要考慮噪聲敏感性的新式電壓軌而言，在寬帶寬范圍內(nèi)具有低輸出電壓噪聲的器件是有益的。顯然，大電流條件下的低輸出電壓噪聲是一項必不可少的規(guī)格指標(biāo)。

一款適合低電壓轉(zhuǎn)換的新型單電源線性穩(wěn)壓器
    對于新式低電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來說，擁有必要規(guī)格指標(biāo)的線性穩(wěn)壓器可能是一種理想的解決方案；然而，為了使 LDO 得以采用，它將需要具備以下特性：

•單電源操作 (以實現(xiàn)易用性)
    •快速瞬態(tài)響應(yīng)時間
    •可在一個很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內(nèi)運作
    •高輸出電流能力
    •低輸出噪聲
    •非常低壓差操作
    •超卓的熱性能
    •高 PSRR (在高頻條件下)

    為了滿足這些需求，凌力爾特公司最近推出了 LT3022，這是一款單電源、非常低壓差線性穩(wěn)壓器。

LT3022 VLDO 穩(wěn)壓器
    LT3022 是一款 1A、非常低壓差 (VLDO^TM) 線性穩(wěn)壓器，具有低至 0.9V 的輸入電壓能力以及低至 0.2V 的可調(diào)輸出電壓。LT3022 的低 V_IN 能力加之此器件的低壓差 (在 1A 滿負(fù)載時的典型值為 145mV)，使其非常適合于諸如 FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器等數(shù)字 IC 中常見的低電壓、大電流軌。它也可應(yīng)用于一般的高效率、低 V_IN 至低 V_OUT 轉(zhuǎn)換 (例如：1.8V 至 1.5V、1.5V 至 1.2V 或 1.2V 至 0.9V)。此外，該器件還以僅為 400μA 的靜態(tài)電流提供低功率工作模式，停機時靜態(tài)電流不到 10μA，從而延長了電池供電型手持式應(yīng)用中的運行時間。

 
圖 1：LT3022 的典型應(yīng)用電路 ━━ 可調(diào)輸出

LT3022 穩(wěn)壓器利用低 ESR、電容值低至 10μF 的陶瓷輸出電容器來優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。LT3022 是高度準(zhǔn)確的，在整個電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)具有 ±3% 的輸出電壓準(zhǔn)確度、0.05% 的典型電壓調(diào)整率和 0.05% 的典型負(fù)載調(diào)整率。該器件無懈可擊的內(nèi)部保護(hù)電路包括電池反向保護(hù)、輸出反向保護(hù)、輸出至輸入 (電流) 反向保護(hù)、電流限制和具遲滯的熱限制。
最后，該器件采用 16 引腳 3mm x 5mm DFN 封裝和耐熱性能增強型 MSOP-16 封裝，可在 -40°C 至 +125°C 的結(jié)溫范圍內(nèi)工作。

快速瞬態(tài)響應(yīng)和高 PSRR
    LT3022 的設(shè)計可在采用多種輸出電容器的情況下保持穩(wěn)定，但專為低 ESR 陶瓷電容器而優(yōu)化。輸出電容器的 ESR 會影響穩(wěn)定性，這種影響在采用小值電容器時最為顯著。應(yīng)采用一個最小電容值為 10μF 且 ESR 小于 0.1Ω 的輸出電容器以防止發(fā)生振蕩。LT3022 是一款低電壓器件，而且輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是輸出電容的一個函數(shù)。較大的輸出電容值可減小峰值偏差，并改善針對大負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。

 
圖 2：LT3022 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

  輸入 PSRR 將隨諸多因素而變化，例如：輸入和輸出電容器的尺寸和類型、負(fù)載電流和電路板布局等等。通常，CMOS 穩(wěn)壓器需要足夠的電壓儲備空間以驅(qū)動傳輸元件的柵極，否則其環(huán)路增益將受損，進(jìn)而導(dǎo)致 PSRR 下降。PNP 型穩(wěn)壓器 (比如 LT3022) 的對數(shù) VBE 特性意味著當(dāng)超出壓差范圍時可提供卓越的環(huán)路增益和 PSRR 性能指標(biāo)。如圖 3 所示，LT3022 在整個帶寬范圍內(nèi)均提供了超卓的電源抑制性能。

   
圖 3：LT3022 的輸入紋波抑制性能

大量的保護(hù)功能
    LT3022 具有多項保護(hù)功能，從而使其非常適合在電池供電型電路中使用。除了與單片式穩(wěn)壓器相關(guān)的一般保護(hù)功能 (例如：電流限制和熱限制) 以外，該器件還提供了針對輸入電壓反向、輸出電壓反向、以及輸入至輸出電壓反向的保護(hù)功能。

    電流限制保護(hù)和熱過載保護(hù)功能可避免器件遭受其輸出端上電流過載情況的損壞。對于標(biāo)準(zhǔn)操作，不要超過 125°C 的結(jié)溫。典型的熱停機溫度為 165°C，而且熱停機電路具有約 7°C 的遲滯。
IN 引腳可承受 10V 的反向電壓。LT3022 將電流限制在 1μA 以下，而且在輸出端上不出現(xiàn)負(fù)電壓。當(dāng)電池在插入時極性接反時，該器件可為自身及負(fù)載提供相應(yīng)的保護(hù)。

    倘若 VOUT 被拉至地電位以下，LT3022 不會遭受損壞。假如 V_IN 被置于開路狀態(tài)或接地，則可將 V_OUT 拉至地電位以下達(dá) 10V。沒有電流從與 V_OUT 相連的傳輸晶體管流出。然而，電流流入 (但受限于) 負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓的電阻分壓器。電流從分壓器中的底端電阻器以及 ADJ 引腳的內(nèi)部箝位電路經(jīng)由分壓器中的頂端電阻器流至外部電路，從而將 V_OUT 拉至地電位以下。如果 V_IN 由一個電壓源供電，則 V_OUT 將提供與其電流限制能力相等的電流，而 LT3022 將利用熱限制功能對自身加以保護(hù)。在該場合中，把 /SHDN 引腳接地將關(guān)斷 LT3022 并阻止 V_OUT 供應(yīng)電流。

    在需要采用一個后備電池的電路中，會出現(xiàn)幾種不同的輸入 / 輸出情況?？梢栽诒３州敵鲭妷旱耐瑫r將輸入拉至地電位、拉至某個中間電壓或置于開路狀態(tài)。在輸入接地的場合中，反向輸出電流小于 1μA。如果強制 LT3022 的 IN 引腳電壓低于 OUT 引腳或?qū)?OUT 引腳電壓拉至高于 IN 引腳，則輸入電流通常將減小至 10μA 以下。這種狀況出現(xiàn)在 LT3022 輸入連接至一個放電 (低電壓) 電池之時，而由一個后備電池或第二個穩(wěn)壓器電路負(fù)責(zé)保持輸出。如果 V_OUT 被拉至高于 V_IN，則 /SHDN 引腳的狀態(tài)不會影響反向輸出電流。

    概括起來，LT3022 擁有以下主要的技術(shù)特點：

• V_IN 范圍：0.9V 至 10V
  •V_REF 準(zhǔn)確度：在整個電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)為 ±3%
  •V_OUT 范圍：0.2V 至 9.5V (可調(diào))
  •壓差電壓：145mV
  •輸出電流：1A
  •固定輸出電壓：1.2V、1.5V、1.8V
  •采用低 ESR、陶瓷輸出電容器 (最小值為 10μF) 時可保持穩(wěn)定
  •0.05% 的負(fù)載調(diào)整率 (從 1mA 至 1A)
  •靜態(tài)電流：400μA，ISD < 10μA
  •電流限制和具遲滯保護(hù)的熱限制
  •電池反向、輸出反向和輸出至輸出 (電流) 反向保護(hù)
  •16 引腳 DFN (3mm x 5mm x 0.75mm) 封裝或 16 引腳耐熱性能增強型 MSOP 封裝

結(jié)論
    業(yè)界的許多 LDO 雖然實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和低壓差，但傳統(tǒng)上需要采用一種兩電源配置以提供低電壓操作。然而，新型電路設(shè)計方法及改良型晶圓制造工藝拓展了 PNP 型傳輸晶體管 LDO 的性能。LT3022 是一款采用單工作電源的 1A VLDO 線性穩(wěn)壓器，具有低至 0.9V 的輸入電壓能力和低至 0.2V 的可調(diào)輸出電壓、無懈可擊的保護(hù)功能、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及高 PSRR。