LDO集成電路穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)及選用技術(shù)

LDO是新一代的集成電路穩(wěn)壓器，它與三端穩(wěn)壓器最大的不同點(diǎn)在于，LDO是一個(gè)自耗很低的微型片上系統(tǒng)(SoC)。LDO按其靜態(tài)耗流來(lái)分，分為 OmniPowerTM / MicroPowerTM / NanoPowerTM三種產(chǎn)品。OmniPowerTM LDO的靜態(tài)電流在100mA-1mA，MicroPowerTM LDO的靜態(tài)電流在10mA-100mA，NanoPowerTM LDO的靜態(tài)電流小于10mA，通常只有1mA。OmniPowerTM LDO 是一種靜態(tài)電流稍大但性能優(yōu)于三端穩(wěn)壓器的新型線(xiàn)性穩(wěn)壓器，適用于使用AC/DC固定電源的所有電子、電器產(chǎn)品。因其需求量大，生產(chǎn)量大，而生產(chǎn)成本極低，價(jià)格十分便宜。MicroPowerTM LDO是一種微功耗的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，它具有極低的自有噪音和較高的電源紋波抑制(PSRR)，具有快捷的使能控制功能，給它一個(gè)高或低的電平可使它進(jìn)入工作狀態(tài)或睡眠狀態(tài)，具有最好的性能/功率比，適用于在需要低噪音的手機(jī)電源中使用。NanoPowerTM LDO 是一種毫微功耗的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，具有極低的靜態(tài)電流，穩(wěn)壓十分精確，最適用于需要節(jié)電的手提電子、電器產(chǎn)品，見(jiàn)圖1。

LDO的結(jié)構(gòu)

LDO的結(jié)構(gòu)是一個(gè)微型的片上系統(tǒng)，它由作電流主通道的、具有極低在線(xiàn)導(dǎo)通電阻RDS(ON)的MOSFET、肖特基二極管、取樣電阻、分壓電阻、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、精密基準(zhǔn)源、差分放大器、延遲器、POK MOSFET 等專(zhuān)用晶體管電路在一個(gè)芯片上集成而成，如圖 2。

POK(Power OK)是新一代LDO都具備的輸出狀態(tài)自檢、延遲安全供電功能，也有稱(chēng)之為Power good即“電源好”。

工作原理及效率

LDO 的工作原理是通過(guò)負(fù)反饋調(diào)整輸出電流使輸出電壓保持不變。LDO是一個(gè)步降型的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因此Vin > Vout，它的工作效率：LDO的效率一般為60-75%，靜態(tài)電流小的效率會(huì)好一些。

LDO選擇原則

當(dāng)所設(shè)計(jì)的電路要求分路電源具有下列特點(diǎn)時(shí)：

● 低噪音、高紋波抑制;

● 占用PCB板面積小(如手機(jī)、手持電子產(chǎn)品);

● 電路電源不允許使用電感器(如手機(jī));

● 電源需要具有瞬時(shí)校準(zhǔn)和輸出狀態(tài)自檢功能;

● 要求穩(wěn)壓器低壓降、自身低功耗;

● 線(xiàn)路要求低成本和簡(jiǎn)單方案;

此時(shí)，選用LDO是最確當(dāng)、最實(shí)用、最方便、最經(jīng)濟(jì)的。

應(yīng)用簡(jiǎn)介

LDO的應(yīng)用電路十分方便簡(jiǎn)單，工作時(shí)僅需要二個(gè)作輸入、輸出電壓退耦降噪的陶瓷電容器，見(jiàn)圖 3。

Vin和Vout的輸入和輸出濾波電容器，應(yīng)當(dāng)選用寬范圍的、低等效串聯(lián)電阻(ESR)、低價(jià)陶瓷電容器，使LDO在零到滿(mǎn)負(fù)荷的全部量程范圍內(nèi)穩(wěn)壓效果穩(wěn)定。一些LDO有一個(gè)Bypass附加腳，由它連接一個(gè)小的電容器，可以進(jìn)一步降低噪音。

電容器的選擇關(guān)系到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，電容器的電容值、電介質(zhì)材料類(lèi)型、物理尺寸、等效串聯(lián)電阻(ESR)等這些重要參數(shù)都是設(shè)計(jì)工程師所要考慮的。在LDO使用電路的設(shè)計(jì)中，陶瓷電容器是最好的選擇，因?yàn)樘沾呻娙萜鳠o(wú)極性和具有低的ESR，典型值100mW，電容器的ESR對(duì)輸出紋波有重大影響，而ESR受電容器的類(lèi)型、容量、電介質(zhì)材料和外殼尺寸影響，如常用的貼片電容器X7R 電介質(zhì)是最好的，但使用成本略高，X5R 電介質(zhì)較好，性能/價(jià)格比適宜，而Y5V電介質(zhì)較差，但成本較低。

LDO在PCB板上的工藝走線(xiàn)十分重要，當(dāng)工藝走線(xiàn)不良和靠近RF線(xiàn)時(shí)降噪性能會(huì)受影響。濾波電容器匯入地節(jié)點(diǎn)選擇不良時(shí)，由負(fù)載返回地的電流中，噪音和紋波都會(huì)增加。在通常的布線(xiàn)設(shè)計(jì)中常常遇到此類(lèi)情況(圖 4)。如將此布線(xiàn)線(xiàn)路優(yōu)化，則可在由負(fù)載返回地的電流中，噪音和紋波都降至最小(圖 5)。理想的PCB板布線(xiàn)設(shè)計(jì)是接地點(diǎn)盡可能的粗短和走捷徑，走線(xiàn)一定要考慮各個(gè)器件間的干擾和輻射，器件的合理排列可有利于有效地減少各個(gè)器件間的相互干擾和輻射，如圖 6所示。

新一代的LDO都是用CMOS工藝生產(chǎn)的，它和使用Bipolar工藝生產(chǎn)的LDO功能上沒(méi)有多大的區(qū)別，可是靜態(tài)電流、壓降、噪音和成本等的內(nèi)在性能有很大的提高(表 1)。

LDO的應(yīng)用電路如圖 7所示，可供參考。

AATI LDO的優(yōu)點(diǎn)

美國(guó)研諾邏輯科技有限公司(AATI)利用CMOS技術(shù)生產(chǎn)性能優(yōu)秀的LDO，如適用于手機(jī)、手持通信產(chǎn)品的低噪音MicroPowerTM LDO AAT3215/150mA、AAT3236/300mA，具有高性能快速功率開(kāi)關(guān)功能的AAT3218/150mA、AAT3238/300mA，具有 POK功能的AAT3216/150mA、AAT3237/300mA;適用于PDA、eBook、DSC、手持電子產(chǎn)品的極低靜態(tài)電流 NanoPowerTM LDO AAT3220/21/22/150mA，具有POK功能的AAT3223/250mA。適用于A(yíng)C/DC固定電源的OmniPowerTM LDO AAT3219/3200/3201/150mA。LDO的封裝除了現(xiàn)有的SOT23的小封裝外，還有AATI獨(dú)創(chuàng)專(zhuān)利的寬體、J腳SC70JW超小尺寸封裝，適用于表面貼裝，在PCB板上所占空間很小，SC70JW封裝使晶片占空比達(dá)42%，占用PCB面積僅4.2平方毫米，芯片抬起安裝可利用空氣受熱自然流動(dòng)散熱和多3個(gè)腳接地可充分利用PCB板散熱?！?/p>

圖1 LDO 的分類(lèi)與應(yīng)用

圖2 具有限流、使能、電源好的微型P溝道LDO

圖3 LDO典型應(yīng)用