如何將CMOS LDO應用于便攜式產品中

隨著便攜式產品越來越多，產品的功能，性能的提升，它們對電源管理的要求也更高了，這里跟大家探討的是CMOS LDO在便攜式產品中的應用。便攜式產品在大多數(shù)情況下是靠電池供電，內部(即電池后端)的電源管理有DC/DC和LDO兩種實現(xiàn)方式，各有優(yōu)缺點。正常工作時，DC/DC模塊能提供給系統(tǒng)穩(wěn)定的電壓，并且保持自身轉換的高效率，低發(fā)熱。但在一些應用條件下，比如工作在輕載狀況下或是給RF供電時，DC/DC的靜態(tài)電流及開關噪聲就顯得比較大了， CMOS LDO正好可以滿足在這些應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產品的特點

1.CMOS LDO的自身功耗：

CMOS LDO在正常工作時，存在自身的功耗，可以大概表示為：

Pd=(Vin-Vout)×Iout+Vin×Iq，

由這個式子可以看出，重載以及大輸入輸出電壓差都會增大Pd，從而降低LDO的轉換效率。然而當Iout=0時，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(溫度補償晶振)電源中，其只需要5mA的負載電流，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，這取決于方案設計工程師在應用電路中的設計。

現(xiàn)在更多的工程師，將DC/DC與LDO共同設計進電源管理方案中，因為他們發(fā)現(xiàn)，開關型轉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用中尤為突出。開發(fā)商為了讓處理器在不執(zhí)行指令時保持極低的電能消耗，往往把產品設置為“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”下仍然采用開關型轉換器，其噪聲和靜態(tài)電流性能反而不如LDO優(yōu)越?；谶@種情況，已經(jīng)有廠商針對處理器（例如基帶處理器）供電應用推出了LDO與開關型轉換器雙模系統(tǒng)。當處理器處于“喚醒工作模式”時，系統(tǒng)通過芯片內部開關切換成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；而當處理器處于“深度睡眠模式”時，系統(tǒng)通過芯片內部開關切換成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，選擇穩(wěn)定區(qū)域比較大的LDO有利于系統(tǒng)的設計，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。請注意，輸出電容器的ESR 會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級，而鉭電容器ESR在100 mΩ量級。

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

3.電路簡單及價格低：

LDO的應用電路都比較簡單，除了LDO自身以外，只需要2顆電容，個別產品還需要一顆bypass電容?？偣仓恍枰?~4顆原件。如此簡單的電路在成本也就相應很低了。

4.電路所需PCB面積?。?br />
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產品的應用

由于CMOS LDO產品的拓撲結構決定了其較低靜態(tài)工作電流的特性，使得其非常適合在電池供電的手持設備系統(tǒng)中應用。下面以PHS手機為例來說明CMOS LDO的應用和選擇。

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，當手機鋰電池的電壓降到3.3V~3.2V時，手機將關機，這時電池到BB工作電壓的壓差為500mV~600mV,對于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BB工作在輕載時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，與手機最低工作電壓的差值為200mV~600mV，同時，需要在低頻時（217Hz）有較高的PSRR，用以抑制RF部分對電池的干擾。此外，這顆LDO的會始終處于工作狀態(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的高PSRR的LDO為其供電，來隔離其他噪聲源，如RF產生的低頻脈沖噪聲?！　?br />
4.RTC Power Supply

RTC電源會一直處于工作狀態(tài)，即使在手機關機以后。因此它需要一顆極低靜態(tài)電流的LDO，同時，這顆LDO要求具有小的反向漏電流的保護功能。

5.Audio Power Supply

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

CMOS LDO產品的設計思想

以下著重從Noise方面來闡述CMS LDO的設計思想。