選擇手機使用的線性穩(wěn)壓器

概述
 
　　今天，移動設(shè)備已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的組成部分。它們?yōu)槲覀兲峁┝烁鞣N好處，如安全（保護汽車拋錨后駕駛員），娛樂（提供最新的比賽結(jié)果），便利（緊急聯(lián)絡(luò)和社交）。但就用戶的感受來說，移動設(shè)備本身并不具備高的價值。

　　今天，一旦客戶與運營商簽好合同，大多數(shù)手機的出售價格都很低。客戶的成本是合同持續(xù)的時間，而不是手機本身。所以客戶把手機本身看作一種可以拋棄的東西，可以換成最新機型、顏色和應(yīng)用。但這種認識略有不妥，因為手機是花費數(shù)百萬人的多年努力才推向市場的一種工程成就。

　　某種意義上，我們可以將線性穩(wěn)壓器作相似的類比，但這是對手機的設(shè)計工程師而言。高性能的線性穩(wěn)壓器中結(jié)合了優(yōu)秀的 IC 設(shè)計、封裝和制造，能為下一代手機設(shè)計提供先進而必要的性能。

　　線性穩(wěn)壓器在手機系統(tǒng)中常被當作是“創(chuàng)可貼”式的東西，經(jīng)常在產(chǎn)品開發(fā)的最后階段才作出選擇。設(shè)計工程師更關(guān)注如何使復雜的 BB 或 RF ASIC 工作，而不是要選擇哪種功率/性能的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器經(jīng)常要靠廣告彩頁的規(guī)格宣傳才能賣出，而不是靠數(shù)據(jù)單內(nèi)頁的核心特性。

　　規(guī)格也經(jīng)常會產(chǎn)生誤導作用，在數(shù)據(jù)單首頁大肆宣傳的都是主要參數(shù)，但這種方式可能會讓人誤解，并且這些參數(shù)不與其它參數(shù)相聯(lián)系就沒有價值。特別是靜態(tài)電流。這種情況的出現(xiàn)是由于線性穩(wěn)壓器市場競爭的結(jié)果，因為廠家意識到工程師們的時間都很緊張，所以紛紛設(shè)法讓他們能多看一眼自己的器件。

　　此外，沒有一種表述信息的標準。不同的級別、溫度和負載信息只會使設(shè)計工程師更加困惑。

線性穩(wěn)壓器的分類和與電池技術(shù)的關(guān)系
 
線性穩(wěn)壓器可以歸為三組類型：

　　通用、數(shù)字和模擬。根據(jù)不同應(yīng)用的性質(zhì)，所用線性穩(wěn)壓器的特性也要隨之變化。線性穩(wěn)壓器在參數(shù)方面要不斷地進行折衷。我們確定器件類型的方式取決于應(yīng)用設(shè)計中的最重要的規(guī)格。

　　由于鋰電池的有更高的單位重量能量，并且沒有鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，便攜設(shè)備的供電已經(jīng)進入鋰電池時代。鎳鎘電池仍會在便攜設(shè)備中繼續(xù)存在下去，但只在需要大電流負荷的應(yīng)用中，如電動工具等。因為鎳鎘電池內(nèi)阻較低。

　　鋰電池是手機中使用的電池技術(shù)。并且這種技術(shù)的發(fā)展速度并沒有與整流電池的半導體業(yè)的發(fā)展同步。唯一的重大進展是鋰聚合物電池的出現(xiàn)，它可以裝到移動設(shè)備的小型外殼中。唯一可望實現(xiàn)的替代品是 Power cell，但近期看來不會有所作為，特別是這種電池的副產(chǎn)物是水，這在任何電子產(chǎn)品中都是不受歡迎的。由于對移動設(shè)備等待時間和通話時間的不斷延長，當前的趨勢是不間斷地（也許不太公平）推動半導體技術(shù)與體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以滿足不斷增加的產(chǎn)品需求。并且由于移動設(shè)備不僅需要考慮通話時間和等待時間，還需要考慮游戲時間，于是更加強了這一趨勢。隨著多媒體和互聯(lián)網(wǎng)功能成為流行時尚，線性穩(wěn)壓器需要越來越低的靜態(tài)電流，從而使 IC 工程師作出更多的設(shè)計折衷。今后成功的產(chǎn)品組合都要具備多種因素，如管理、開發(fā)體系結(jié)構(gòu)甚至改善這些折衷的能力。當定義線性穩(wěn)壓器的性能時，這種更低的靜態(tài)電流需求正在改變著所有線性穩(wěn)壓器的特性。

線性穩(wěn)壓器揭秘

　　自從早期的齊納二極管以來，線性穩(wěn)壓器走過了漫長的道路?，F(xiàn)代的線性穩(wěn)壓器采用了許多巧妙的體系結(jié)構(gòu)來應(yīng)對挑戰(zhàn)性的需求?；旧希粋€線性穩(wěn)壓器就是一個運算放大器和一個傳輸晶體管。運算放大器使用兩個基準點。它們是內(nèi)部帶隙基準，和輸出端的一個電阻分壓器。在穩(wěn)壓過程中，電阻分壓網(wǎng)的電壓值被反饋給運算放大器，并與帶隙基準進行比較。傳輸晶體管根據(jù)比較結(jié)果決定導通的時間。這是一個基于兩個主要極點的閉環(huán)系統(tǒng)，即誤差放大器/傳輸晶體管的內(nèi)極點，以及輸出電流要求與輸出電容 ESR 的外部極點。對兩個主要極點的處理會影響器件的性能，也是回路穩(wěn)定性的主要因素。

進一步理解線性穩(wěn)壓器的分類
 
　　對線性穩(wěn)壓器有一個穩(wěn)定不變的需求，那就是越來越高的效率。用另一種指標說就是減小靜態(tài)電流和正向壓降。正如生活中沒有免費的午餐一樣，當我們提高線性穩(wěn)壓器的某一個參數(shù)值時，它不可避免會影響到其它的特性。

　　通用線性穩(wěn)壓器的設(shè)計是要提供最好的整體性能。各種特性的權(quán)重基本是相當?shù)摹３杀竞褪袌鼋邮艹潭葲Q定了所選擇的封裝類型。

　　數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計用于支持各種主要的移動設(shè)備數(shù)字核心部分?，F(xiàn)代 DSP 和微控制器必須工作在高效狀態(tài)下，還經(jīng)常有大電流需求。尤其是隨著移動設(shè)備的應(yīng)用不斷增加及從基本的調(diào)制解調(diào)器向豐富的多媒體擴展和轉(zhuǎn)移，更進一步推動了當前的需求。我們不再需要考慮用戶通話和等待時間，而是要考慮玩的時間（游戲/互聯(lián)網(wǎng)）。新興的 CDMA 手機需要大量的糾錯和濾波功能。所有這些都給數(shù)字處理核心的軟件裝載施加了極大的壓力。這些都體現(xiàn)了對電源管理器件的需求。這些特性逐步成為對數(shù)字負載重要的特性。它們是線路與負載調(diào)整/瞬態(tài)特性。應(yīng)該說，這不是僅有特性，而是許多重要特性中的兩個。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的首頁經(jīng)常不列出這些參數(shù)。它們一般用兩種方式表述，V/I 偏差的百分數(shù)值或 V/I 實際值。這些值都應(yīng)該參考到負載電流或輸入電壓的變動。

　　由于移動設(shè)備的性質(zhì)，會有很長的時間不需要使用核心部分。如果沒有通話、搜索基站或使用多媒體功能，則電源管理設(shè)備進入休眠狀態(tài)。數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計為隨后進入休眠狀態(tài)，此時只吸入很少電流，但當需要時可快速起動。在休眠模式期間，線性穩(wěn)壓器的所有主要功能都被關(guān)斷，包括帶隙功能。及時快速起動而不引起過沖的特性非常關(guān)鍵。過沖以及線性穩(wěn)壓器處理過沖的能力是與靜態(tài)電流相聯(lián)系的。在靜態(tài)電流減少時，要保持或提高這一特性就是一種艱巨的工作。

　　數(shù)字電路要求快速響應(yīng)，同時仍要求相對于線路與負載瞬變的干擾要小。此時需要的是快速驅(qū)動內(nèi)部電容結(jié)的能力，以及完成這一工作的有效電流。當進一步降低有效驅(qū)動電流時，線性穩(wěn)壓器的反應(yīng)能力就會下降。

　　假定設(shè)計了一個足夠快的電路，其中存在過沖。有一種解決方式是用電容來抑制過沖。但結(jié)果是電容負載增加，靜態(tài)電流增大。

　　模擬線性穩(wěn)壓器主要用于驅(qū)動空氣接口(air interface)。空氣接口是便攜通信中的薄弱之處。其信號對噪聲和衰減均高度敏感。因此，當考慮使用一個模擬線性穩(wěn)壓器時，重要的是器件本身不會進一步引入噪聲，并能抑制其它噪聲源。模擬線性穩(wěn)壓器的主要品質(zhì)因數(shù)是噪聲（以 Vrms 度量）和抑制（電源抑制比 PSRR，單位為 dB）。帶隙基準與傳輸晶體管是噪聲的主要來源。增加一個外接旁路電容可以降低這種噪聲，但這也增加了成本和體積。領(lǐng)先的半導體廠家如美國國家半導體公司采用另一種辦法，即在硅片內(nèi)增加內(nèi)置電容。晶體管級的噪聲實際上由兩個因素組成，熱噪聲和閃爍噪聲。電子互相碰撞以及在 Si02 級被捕獲是兩種噪聲產(chǎn)生的原因。PSRR 是器件抑制有害噪聲的能力，這些噪聲由其它穩(wěn)壓元件或噪聲源產(chǎn)生。這在模擬環(huán)境中特別重要，因為一般來說，模擬器件比數(shù)字器件對噪聲更敏感。

　　噪聲本身對地電流有直接的相關(guān)性，因為它是晶體管驅(qū)動的一個系數(shù)。MOSFET 中的驅(qū)動電流越低，則閃爍噪聲和熱噪聲指標就越差，較低的驅(qū)動電流意味著較低的靜態(tài)電流。

　　現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器的設(shè)計工程師要面臨多種折衷的抉擇，但不會都取最壞情況。用已有的技術(shù)可以設(shè)計出更智能的器件，以補償不規(guī)律和難以預(yù)期的系統(tǒng)需求。美國國家半導體公司發(fā)明了一些測量輸出、輸入電流/電壓，以及提高器件穩(wěn)定性水平的方法，同時減小了地電流和正向壓降。通過在硅片中使用 MOSFET 的電容效應(yīng)以及其它技術(shù)，可以實現(xiàn)原外置功能的集成化，如旁路電容和輸入、輸出電容等。因而在保持或增強性能的同時進一步減少了整機材料成本和外形尺寸。

線性穩(wěn)壓器的未來
 
　　大多數(shù)現(xiàn)代移動通信設(shè)備都被迫實現(xiàn)各個外接元件的集成化。有一種看法是，分立的線性穩(wěn)壓器將被用作 PMU（電源管理單元）。今天的電源管理單元使用了許多傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器。為了對外形尺寸進行優(yōu)化，電源管理單元經(jīng)常是專為客戶定制開發(fā)的混合信號 ASIC。

　　手機功能基本上分為兩個部分：調(diào)制解調(diào)器核心和多媒體/用戶體驗核心。調(diào)制解調(diào)器核心將繼續(xù)集成化，并成為可用于所有未來開發(fā)的固定平臺。PMU ASIC 將成為解決方案的一個組成部分。但 PMU 自身有功能弱點。假如由于某種原因要改變功能，則需要對整個器件進行一次再制循環(huán)(respin)。這會造成昂貴的費用，還影響到產(chǎn)品上市時間。耽誤的上市時間也可以看作金錢的損失，而不是開支。即使采用固定的核心也會有靈活性的需求，因此，在集成所有電源管理功能時要特別小心。將某些線性穩(wěn)壓器做成外接式可以增加這種靈活性。另外，單一內(nèi)核中多器件的驅(qū)動電流存在一系列復雜問題，其中之一就是散熱問題。多媒體核心/用戶體驗核心將成為下一代移動設(shè)備的主要需求。電流需求在不斷增長，但仍需遵守物理定律。這些散熱要求也會推動下一代電源管理分區(qū)的發(fā)展。

　　有跡象表明，未來的許多電源管理功能都將圍繞直流－直流降壓穩(wěn)壓器來設(shè)計，后調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器可以提供這種支持。由于輸入電壓快速接近 1V，意味著要開發(fā)出更低輸入電壓的線性穩(wěn)壓器。另外，隨著工藝技術(shù)按照莫爾定律的發(fā)展，未來數(shù)字核心的電壓將低于 1V，輸出電壓也在持續(xù)降低。輸出電壓的下降帶動了線性穩(wěn)壓器的開發(fā)，為線性穩(wěn)壓器在便攜式器材中的應(yīng)用帶來新的市場。這樣的線性穩(wěn)壓可以直接用于單 1.2V 電池。

　　不再需要分立的線性穩(wěn)壓器，而是被集成到硅片中，這種情況只是今天的系統(tǒng)需求，而不是未來的市場需求。隨著封裝、工藝與系統(tǒng)進一步推動電源管理器件的性能與需求，電源管理器件的作用和表現(xiàn)也將發(fā)生變化，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。手機設(shè)計者將根據(jù)多種品質(zhì)因數(shù)、應(yīng)用范圍和使用方便性來選擇產(chǎn)品。美國國家半導體早已開始研究這些變化的系統(tǒng)需求，并正在開發(fā)新的體系結(jié)構(gòu)、工藝與封裝，維持著在市場上的重要領(lǐng)導地位。

 
如欲進一步查詢有關(guān)美國國家半導體電源產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/網(wǎng)頁。