如何將CMOS LDO應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品中

隨著便攜式產(chǎn)品越來越多，產(chǎn)品的功能，性能的提升，它們對(duì)電源管理的要求也更高了，這里跟大家探討的是CMOS LDO在便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用。便攜式產(chǎn)品在大多數(shù)情況下是靠電池供電，內(nèi)部(即電池后端)的電源管理有DC/DC和LDO兩種實(shí)現(xiàn)方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。正常工作時(shí)，DC/DC模塊能提供給系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓，并且保持自身轉(zhuǎn)換的高效率，低發(fā)熱。但在一些應(yīng)用條件下，比如工作在輕載狀況下或是給RF供電時(shí)，DC/DC的靜態(tài)電流及開關(guān)噪聲就顯得比較大了， CMOS LDO正好可以滿足在這些應(yīng)用條件下的供電要求，CMOS LDO有著極低的靜態(tài)電流，極低的噪聲，較高的PSRR（電源紋波抑制比），以及較低的Dropout Voltage（輸入輸出電壓差）。

CMOS LDO產(chǎn)品的特點(diǎn) 

        1.CMOS LDO的自身功耗： 

        CMOS LDO在正常工作時(shí)，存在自身的功耗，可以大概表示為： 

        Pd=(Vin-Vout)×Iout+Vin×Iq， 

        由這個(gè)式子可以看出，重載以及大輸入輸出電壓差都會(huì)增大Pd，從而降低LDO的轉(zhuǎn)換效率。然而當(dāng)Iout=0時(shí)，Iq決定LDO的功耗，而CMOS LDO的Iq僅有1uA~80uA，使得LDO自身幾乎沒有功耗。 

        如在TCXO(溫度補(bǔ)償晶振)電源中，其只需要5mA的負(fù)載電流，Vout固定，若能控制Vin的值僅稍大于Vout+Vdrop，(一般地，CMOS LDO的Vdrop在Iout=5mA條件下，其值為5mV~10mV)，則LDO的自身功耗Pd在不到1mW，這取決于方案設(shè)計(jì)工程師在應(yīng)用電路中的設(shè)計(jì)。 

        現(xiàn)在更多的工程師，將DC/DC與LDO共同設(shè)計(jì)進(jìn)電源管理方案中，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)，開關(guān)型轉(zhuǎn)換器存在一定的噪聲干擾和高靜態(tài)電流等問題，這種情況在處理器供電應(yīng)用中尤為突出。開發(fā)商為了讓處理器在不執(zhí)行指令時(shí)保持極低的電能消耗，往往把產(chǎn)品設(shè)置為“深度睡眠模式”和“喚醒工作模式”兩種狀態(tài)。 

        而如果在“深度睡眠模式”下仍然采用開關(guān)型轉(zhuǎn)換器，其噪聲和靜態(tài)電流性能反而不如LDO優(yōu)越。基于這種情況，已經(jīng)有廠商針對(duì)處理器（例如基帶處理器）供電應(yīng)用推出了LDO與開關(guān)型轉(zhuǎn)換器雙模系統(tǒng)。當(dāng)處理器處于“喚醒工作模式”時(shí)，系統(tǒng)通過芯片內(nèi)部開關(guān)切換成PWM模式，LDO輸出為高阻態(tài)，為處理器提供較高的電壓和較大的電流；而當(dāng)處理器處于“深度睡眠模式”時(shí)，系統(tǒng)通過芯片內(nèi)部開關(guān)切換成LDO模式，SW輸出為高阻態(tài)，為處理器提供較低電壓和微小電流。 

        2.CMOS LDO的穩(wěn)定性： 

        典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。LDO穩(wěn)定性與輸出電容的ESR密切相關(guān)，選擇穩(wěn)定區(qū)域比較大的LDO有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并可以降低系統(tǒng)板的尺寸與成本。利用較低ESR的電容一般可以全面提高電源紋波抑制比、噪聲以及瞬態(tài)性能。 

        陶瓷電容器由于其價(jià)格低而且故障模式是斷路，通常成為首選；相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。請(qǐng)注意，輸出電容器的ESR 會(huì)影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級(jí)，而鉭電容器ESR在100 mΩ量級(jí)。 

        另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會(huì)對(duì)LDO性能產(chǎn)生不利影響。BCD的CMOS LDO產(chǎn)品采用ESR范圍在10mΩ~100Ω的輸出電容就可以滿足全負(fù)載范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。 

        3.電路簡(jiǎn)單及價(jià)格低： 

        LDO的應(yīng)用電路都比較簡(jiǎn)單，除了LDO自身以外，只需要2顆電容，個(gè)別產(chǎn)品還需要一顆bypass電容?？偣仓恍枰?~4顆原件。如此簡(jiǎn)單的電路在成本也就相應(yīng)很低了。 

        4.電路所需PCB面積?。?nbsp;

        CMOS LDO的Cin和Cout大多小于等于2.2uF，這樣的容值，0603封裝就可以做到了，LDO的封裝一般只是SOT-23或SC-70,整個(gè)電路在PCB上的面積只有20mm2~30mm2，極大的節(jié)省了電路板的空間。

CMOS LDO產(chǎn)品的應(yīng)用 

        由于CMOS LDO產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了其較低靜態(tài)工作電流的特性，使得其非常適合在電池供電的手持設(shè)備系統(tǒng)中應(yīng)用。下面以PHS手機(jī)為例來說明CMOS LDO的應(yīng)用和選擇。 

        1.Baseband Chipset Power Supply 

        Baseband數(shù)字電路部分的工作電壓在1.8V~2.6V之間，當(dāng)手機(jī)鋰電池的電壓降到3.3V~3.2V時(shí)，手機(jī)將關(guān)機(jī)，這時(shí)電池到BB工作電壓的壓差為500mV~600mV,對(duì)于CMOS LDO來說，這么大的工作電壓和壓差使LDO正常工作不是問題，低噪音和高PSRR都不是問題，而對(duì)BB工作在輕載時(shí)LDO的靜態(tài)電流要求要非常小。Baseband模擬電路部分的工作電壓在2.4V~3.0V，與手機(jī)最低工作電壓的差值為200mV~600mV，同時(shí)，需要在低頻時(shí)（217Hz）有較高的PSRR，用以抑制RF部分對(duì)電池的干擾。此外，這顆LDO的會(huì)始終處于工作狀態(tài)，所以也要求有極低的靜態(tài)電流。 

        2.RF Power Supply 

        RF電路需要2.6V~3.0V的工作電壓。在電路中，如低噪音運(yùn)放(LNA),up/down converter,mixer,PLL,VCO,和IF stage都要求很低噪音和很高PSRR的LDO 

        3.TCXO Power Supply 

        溫度補(bǔ)償晶振（TCXO）需要的是一顆極低噪音并帶有enable pin的LDO，盡管TCXO只需要5mA的工作電流，但它同樣要一顆單獨(dú)的高PSRR的LDO為其供電，來隔離其他噪聲源，如RF產(chǎn)生的低頻脈沖噪聲?！　?nbsp;

        4.RTC Power Supply 

        RTC電源會(huì)一直處于工作狀態(tài)，即使在手機(jī)關(guān)機(jī)以后。因此它需要一顆極低靜態(tài)電流的LDO，同時(shí)，這顆LDO要求具有小的反向漏電流的保護(hù)功能。 

        5.Audio Power Supply 

        在手機(jī)音頻電源方面，會(huì)用到300mA~500mA稍大電流的CMOS LDO，同時(shí)，也要求在音頻范圍內(nèi)(20Hz~20kHz)有低噪音和高PSRR的特性,來保證良好的音質(zhì)要求。

CMOS LDO產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想 

        以下著重從Noise方面來闡述CMS LDO的設(shè)計(jì)思想。 [!--empirenews.page--]

        從上面這個(gè)框圖可以看出，方案一比方案二要多封裝出來一個(gè)Pin，這個(gè)Pin一般稱作”Bypass”，對(duì)于這個(gè)Bypass管腳的作用描述往往是：An external bypass capacitor, connected to this terminal, in conjunction with an internal resistor, creates a low-pass filter to further reduce regulator noise.（Bypass腳外接一個(gè)電容，與電路內(nèi)部的電阻組成低通濾波器，用以減小Regulator的輸出噪聲）。因?yàn)榧恿诉@個(gè)Bypass電容（一般10nF），LDO對(duì)Enable（使能）響應(yīng)速度會(huì)變慢(從us級(jí)到ms級(jí))。因此如果LDO的應(yīng)用場(chǎng)合沒有低噪聲的要求或?qū)υ肼曇蟛桓?，一般建議可不加這個(gè)電容。 

        LDO的輸出噪聲主要來自于Voltage Reference這個(gè)模塊，Bypass腳就是外接在Voltage Reference的輸出端。因此將Voltage Reference的噪聲降低，就能降低LDO的輸出噪聲。 

        方案一中，如不加bypass電容，CMOS LDO的噪聲一般在200~450uVrms（沒有負(fù)載時(shí)的電源電流越小，這個(gè)噪聲越大），加了這個(gè)電容濾波后，LDO的噪聲一般為30~50 uVrms，因此方案一的低噪聲CMOS LDO都是有這個(gè)Bypass腳，并且是必須加這個(gè)濾波電容才能做到低噪聲。 

        當(dāng)然也有例外，個(gè)別歐美的大廠商采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)的的CMOS LDO把本該外面加的Bypass電容做到了芯片里面，這樣的LDO產(chǎn)品的噪聲約為100 uVrms的水平。 

        方案一的思路是將噪聲用濾波器過濾掉大部分，而方案二的思路是將噪聲源減少，其核心就是低噪聲的器件工藝。采用方案二的CMOS LDO根本不需要Bypass電容，就能使輸出噪聲降低到30~50 uVrms。 

        從用戶角度來講，沒有這個(gè)Bypass電容，既可以節(jié)省系統(tǒng)成本，又能獲得較高的性能，何樂而不為。因此，對(duì)于輸出電流較小的CMOS LDO，無論在高中低端市場(chǎng)的各個(gè)層面，僅從性能價(jià)格比方面來講，方案二的產(chǎn)品都略勝方案一的產(chǎn)品，方案二的核心是低噪聲低功耗的器件工藝的采用。 

        值得注意的是，采用低噪聲低功耗的器件工藝生產(chǎn)的CMOS LDO以其較高的性價(jià)比占據(jù)了同類產(chǎn)品市場(chǎng)的70%以上的份額。對(duì)于這種形勢(shì)，BCD憑借IDM公司工藝產(chǎn)品同步開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，自行開發(fā)出了這種低噪聲低功耗的器件工藝，并在中國(guó)大陸率先達(dá)到了批量大生產(chǎn)的水平，基于這個(gè)生產(chǎn)工藝，BCD已推出其驗(yàn)線的CMOS LDO產(chǎn)品AP2121/2、AP2138/9。并且，BCD還將陸續(xù)推出一系列電源管理IC新品?！　?/p>

四、BCD的CMOS LDO產(chǎn)品簡(jiǎn)介 

        1.AP2121/AP2122 

        這是采用BCD的低噪聲低功耗CMOS工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低壓差、低噪聲、高電源紋波抑制比的LDO產(chǎn)品，其特點(diǎn)是最大輸出電流能力的最小值為150mA，300mA限流；靜態(tài)工作電源電流為25uA；在輸出電流150mA時(shí)的輸入輸出壓差小于200mV；電源紋波抑制比為70dB@1KHz；不需要外接Bypass電容，其輸出噪聲就小于50uVrms。在這個(gè)產(chǎn)品中采用了BCD的專利《用于提高低頻電源抑制比的電路及包含該電路的電路裝置》（中國(guó)專利：2004201166551.9.）。這個(gè)產(chǎn)品非常適合在手持式電子產(chǎn)品的BASE BAND上面的應(yīng)用。 

        2、AP2138/AP2139 

        這是另外一類采用BCD的低噪聲，低功耗CMOS工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低壓差、低噪聲、LDO產(chǎn)品，其特點(diǎn)是最大輸出電流能力的最小值為200mA，300mA限流；靜態(tài)工作電源電流為1uA；在輸出電流100mA時(shí)的輸入輸出壓差小于200mV；電源紋波抑制比為55dB@100Hz；不許外接Bypass電容，其輸出噪聲小于80uVrms。無論是直流性能還是瞬態(tài)響應(yīng)等多方面，AP2138/9都要比市面上的同類產(chǎn)品更勝一籌，非常適合用于MP3和手持式電子產(chǎn)品的RTC上面的應(yīng)用。 

        3、AP2115/AP2117　　

        這是一款采用上面提到的方案一設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低壓差、低噪聲、高電源紋波抑制比的LDO產(chǎn)品，其特點(diǎn)是最大輸出電流能力的最小值為300mA，500mA限流；靜態(tài)工作電源電流為80uA；在輸出電流300mA時(shí)的輸入輸出壓差僅為300mV；電源紋波抑制比為70dB@1KHz；不外接Bypass電容，其輸出噪聲為180uVrms，當(dāng)外接10nF的Bypass電容后輸出噪聲就小于30uVrms。值得一提的是，該類產(chǎn)品具有與使能端聯(lián)動(dòng)的快速放電功能，有效地延長(zhǎng)了電池的使用壽命，適用于RF、Audio Power Supply等?！　?/p>