由 LDO 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)高效率、低電壓轉(zhuǎn)換和單電源運(yùn)作

低電壓降壓型穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換可運(yùn)用多種方法來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠在寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)運(yùn)作及穩(wěn)定性。如今，新式設(shè)計(jì)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(yùn)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，F(xiàn)PGA、CPU和ASIC)對(duì)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(shì)正在發(fā)生改變，而且，最新面市的新款LDO在性能上所做的折中非常之少(如果有)。

基本的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
大量的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器采用單個(gè)電壓源來執(zhí)行低壓差操作，但無法實(shí)現(xiàn)非常低電壓轉(zhuǎn)換 (<0.6V輸出)。PMOS LDO能實(shí)現(xiàn)此壓差并采用單電源運(yùn)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(gè)電源以對(duì)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，但不需要兩個(gè)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(jì)架構(gòu)，PNP 穩(wěn)壓器能夠在采用單個(gè)電源的情況下實(shí)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(diǎn)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(yùn)作。對(duì)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(yùn)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(yùn)作能力的線性穩(wěn)壓器減少了功率耗散的熱考量因素。

對(duì)高電源抑制比(PSRR)和低輸出電壓噪聲的要求是兩個(gè)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(gè)干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，對(duì)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(xiàng)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(duì)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(shí)現(xiàn)易用性)
● 快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間
● 可在一個(gè)很寬的輸入/輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)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)

LT3022 VLDO穩(wěn)壓器
LT3022是一款1A、非常低壓差(VLDO)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VIN能力加之此器件的低壓差 (在1A滿負(fù)載時(shí)的典型值為145mV)，使其非常適合于如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VIN至低VOUT轉(zhuǎn)換 (例如，1.8～1.5V、1.5～1.2V或1.2～0.9V)。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(jī)時(shí)靜態(tài)電流不到10μA，從而延長(zhǎng)了電池供電型手持式應(yīng)用中的運(yùn)行時(shí)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(gè)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×5mm DFN封裝和耐熱性能增強(qiáng)型MSOP-16封裝，可在-40～+125℃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(jì)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(huì)影響穩(wěn)定性，這種影響在采用小值電容器時(shí)最為顯著。應(yīng)采用一個(gè)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(gè)函數(shù)。較大的輸出電容值可減小峰值偏差，并改善針對(duì)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(chǔ)備空間以驅(qū)動(dòng)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(如LT3022)的對(duì)數(shù)VBE特性意味著當(dāng)超出壓差范圍時(shí)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(gè)帶寬范圍內(nèi)均提供了優(yōu)秀的電源抑制性能。

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(xiàng)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(如電流限制和熱限制)以外，該器件還提供了針對(duì)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)操作，不要超過125℃的結(jié)溫。典型的熱停機(jī)溫度為165℃，而且熱停機(jī)電路具有約7℃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(shí)極性接反時(shí)，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(huì)遭受損壞。假如VIN被置于開路狀態(tài)或接地，則可將VOUT拉至地電位以下達(dá)10V。沒有電流從與VOUT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VOUT拉至地電位以下。如果VIN由一個(gè)電壓源供電，則VOUT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(duì)自身加以保護(hù)。在該場(chǎng)合中，把/SHDN引腳接地將關(guān)斷LT3022并阻止VOUT供應(yīng)電流。

在需要采用一個(gè)后備電池的電路中，會(huì)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(shí)將輸入拉至地電位、拉至某個(gè)中間電壓或置于開路狀態(tài)。在輸入接地的場(chǎng)合中，反向輸出電流小于1μA。如果強(qiáng)制LT3022的IN引腳電壓低于OUT引腳或?qū)UT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(gè)放電(低電壓)電池之時(shí)，而由一個(gè)后備電池或第二個(gè)穩(wěn)壓器電路負(fù)責(zé)保持輸出。如果VOUT被拉至高于VIN，則/SHDN引腳的狀態(tài)不會(huì)影響反向輸出電流。

結(jié)論
業(yè)界的許多LDO雖然實(shí)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(jì)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。