作者：Marcus Zimnik，區(qū)域部門應(yīng)用經(jīng)理

線性穩(wěn)壓器是電子產(chǎn)業(yè)中較長(zhǎng)期且較廣泛被應(yīng)用的集成電路之一，自從多年前問世以來，已經(jīng)歷多次重大的效能提升。本文說明多種線性穩(wěn)壓器架構(gòu)的基本運(yùn)作原則，并擇要說明其中較重要的參數(shù)，較后歸結(jié)針對(duì)特定規(guī)格選用適當(dāng)線性穩(wěn)壓器的要點(diǎn)。

基本線性穩(wěn)壓器運(yùn)作

線性穩(wěn)壓器電路包含四個(gè)功能區(qū)塊，分別是參考電壓、導(dǎo)通組件(pass element)、取樣電阻及誤差放大器，如圖 1 所示。

圖 1：線性穩(wěn)壓器基本組成組件

導(dǎo)通組件是由 芯片 的誤差放大器所控制，誤差放大器會(huì)監(jiān)視反饋的狀況，并且與內(nèi)部固定的參考電壓進(jìn)行比較，然后會(huì)開啟或限制導(dǎo)通組件，以便當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生變動(dòng)時(shí)仍能維持恒定的輸出電壓，以及提供負(fù)載所需的輸出電流。大多數(shù)的線性穩(wěn)壓器也具有用來保護(hù)穩(wěn)壓器的過電流及高溫保護(hù)電路。

重要定義：較小電壓差及靜態(tài)電流

較小電壓差(Dropout Voltage)
穩(wěn)壓器若要正常的工作，輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某個(gè)較小值，這個(gè)值就稱為「較小電壓差」，請(qǐng)見圖2的圖解說明。

圖 2：較小電壓差

較小電壓差小于 1V 的線性穩(wěn)壓器通常被歸類為低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO)，而較小電壓差大于 1V 的線性穩(wěn)壓器則被歸類為標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器。如果輸入電壓接近輸出電壓，而且需將功耗降至較低，此時(shí)就需要使用 LDO。

靜態(tài)電流

靜態(tài)電流也稱為接地電流，這是指輸入電流與輸出電流之間的差異。若要發(fā)揮較大效率，需要低靜態(tài)電流。靜態(tài)電流包含偏移電流 (例如帶隙基準(zhǔn)源(band-gap reference)、取樣電阻及誤差放大器電流) 及串行導(dǎo)通組件的閘極/基極(gate/base)驅(qū)動(dòng)電流，后者不會(huì)產(chǎn)生輸出功率。靜態(tài)電流值大部分是由串行導(dǎo)通組件和穩(wěn)壓器拓樸所決定。

線性電壓穩(wěn)壓器的分類

線性電壓穩(wěn)壓器是按照導(dǎo)通組件技術(shù)進(jìn)行分類，包括：NPN-Darlington、NPN、PNP、PMOS 及 NMOS 穩(wěn)壓器。表 1 顯示不同的類型以及一般較小電壓差與靜態(tài)電流特性。

導(dǎo)通組件技術(shù) 較小電壓差 V_DO 靜態(tài)電流 I_q 說明
NPN-Darlington VCE(sat) + 2VBE = 1.6…2.5V Iq = Ibias = (Ia + Ir + Is) 這是較舊式的線性穩(wěn)壓器技術(shù)。這需要較低輸出電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)。此一電流是導(dǎo)通組件的基極電流。范例裝置：TL317。 <
NPN VCE(sat) + VBE ~0.9V Iq = Ibias = (Ia + Ir + Is) NPN 晶體管透過 PNP 晶體管從輸入電軌接收驅(qū)動(dòng)電流。基極驅(qū)動(dòng)電路將它的發(fā)射極電流并入輸出電流，因此 NPN 穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流不大。這項(xiàng)技術(shù)也需要較低輸出電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)。范例裝置：TLV1117
PNP VCE(sat) = 0.15…0.4 V Iq = Idrv + Ibias ~ 0.8 … 2.6 mA
Idrv：PNP 的基極驅(qū)動(dòng)電流 基極驅(qū)動(dòng)電流流向地面。這個(gè)接地電流的值與導(dǎo)通組件晶體管的增益有直接關(guān)系，因此，PNP 穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流高于 NPN 穩(wěn)壓器。范例裝置：TL5209
PMOS Io*Ron ~ 35...350 mV
Ron：傳輸組件的導(dǎo)通電阻。
Io：輸出電流。a MOSFET 導(dǎo)通組件是電壓控制裝置，不過與雙極晶體管不同，在輸出電流增加時(shí)不需要增加驅(qū)動(dòng)電流，因此可獲取相當(dāng)?shù)偷撵o態(tài)電流 (低于 1mA)。a PMOS 導(dǎo)通組件的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是需要較低輸入電壓，以確實(shí)提升信道的效能。范例裝置：TPS75901
NMOS NMOS 線性穩(wěn)壓器需要電荷泵或大于 Vin 的驅(qū)動(dòng)電壓，才能提升 NMOS 的效能。范例裝置：TPS73201

PNP 雙極體晶體管一般被運(yùn)用于低壓降的應(yīng)用，主要是因?yàn)檫@類晶體管很容易就能夠達(dá)到低壓降，然而，它會(huì)產(chǎn)生高靜態(tài)電流，而且效率不高，因此不適用于以發(fā)揮較高效率為首要考慮的應(yīng)用。PMOS 裝置經(jīng)過大量心力的開發(fā)，目前的效能已超越大多數(shù)的雙極體裝置。NMOS 導(dǎo)通組件的較大優(yōu)勢(shì)是它的電阻不高，不過，閘極驅(qū)動(dòng)的困難卻使得這類導(dǎo)通組件在應(yīng)用中顯得并不理想。NMOS LDO （如TPS74901）能夠在 3A 輸出電流的情況下達(dá)到 120mV 較小電壓差。

與 PMOS 拓樸裝置不同的是，輸出電容器對(duì)于回路穩(wěn)定性的影響不大。不論是搭配多顆電容器或甚至不搭配電容器，德州儀器推出的多款 NMOS LDO 都能穩(wěn)定的運(yùn)作。NMOS的瞬時(shí)響應(yīng)也優(yōu)于 PMOS 拓樸，對(duì)于低輸入電壓的應(yīng)用更是如此。

高效能線性電壓穩(wěn)壓器的特殊功能

較簡(jiǎn)易的電壓穩(wěn)壓器只需要 Vin、Vout 及 GND 等三個(gè)終端，在線性穩(wěn)壓器的演進(jìn)中，下一步則需要加入 ENABLE 接腳，以便穩(wěn)壓器能夠開關(guān)。

數(shù)字應(yīng)用的穩(wěn)定性需求使得穩(wěn)壓器必須整合電源電壓監(jiān)控（supply voltage supervisor, SVS） 的功能，這些功能能夠?qū)?RESET 或 POWER GOOD 輸出提供給處理器。內(nèi)部比較器會(huì)監(jiān)視穩(wěn)壓器輸出電壓，并且使數(shù)字系統(tǒng)在出現(xiàn)欠壓狀況時(shí)啟動(dòng)重設(shè)（RESET）。輸出達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，會(huì)在經(jīng)過一段時(shí)間后 (通常是 20 到 200ms) 停止重設(shè)。當(dāng)輸出電壓低于要求輸出電壓的遲滯窗（hysteresis window）時(shí)，便會(huì)再度進(jìn)行重設(shè)。

POWER GOOD 指出 Vout 的狀態(tài)，而且通常用于啟用其它電源以進(jìn)行定序。當(dāng) Vout 超出 POWER GOOD 跳變閾值（trip threshold） (通常是設(shè)定點(diǎn)電壓的 97%) 時(shí)，POWER GOOD 接腳會(huì)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，否則 POWER GOOD 會(huì)降低。

PLL 和 RF 電路的電源需要是低噪聲的電源，才能發(fā)揮較高效能。過濾 LDO 的參考電壓能夠有效獲得低噪聲電源，支持此功能的 LDO 具有旁通接腳，能夠在誤差放大器的參考輸出及輸入之間連接一個(gè)濾波電容器。TPS79101 是這類 LDO 中很好的例子，它在 100Hz 至 100kHz 頻率范圍內(nèi)只會(huì)產(chǎn)生 15μVRMS 的噪聲。

FPGA 及處理器這類復(fù)雜的數(shù)字裝置有時(shí)會(huì)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)高流入電流（inrush current），當(dāng)供電電壓以緩慢上升的方式啟動(dòng)時(shí)，流入電流會(huì)降低。要做到這點(diǎn)，TPS74401這類的 LDO 必須具有整合的軟啟動(dòng)（soft start）功能，才能讓使用者設(shè)定啟動(dòng)時(shí)電壓上升的速度。

復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)需要的另一項(xiàng)功能是電壓追蹤，許多處理器在CORE和I/O電源接腳之間的靜電放電(ESD)架構(gòu)往往有很大的壓力，這項(xiàng)功能有助于降低這個(gè)壓力。追蹤功能使 LDO 輸出電壓能夠追蹤外部的電源。詳細(xì)信息請(qǐng)見圖 3。

圖 3：針對(duì) TPS74301 進(jìn)行的電壓追蹤

選用正確的線性穩(wěn)壓器

選用線性穩(wěn)壓器時(shí)，必須先考慮需要的輸入電壓范圍、輸出電壓及電流。如果允許輸入電壓接近輸出電壓，務(wù)必確定較低的較小電壓差不會(huì)限制需要的輸入電壓范圍。另外，輸出電壓的準(zhǔn)確性與應(yīng)用所需的準(zhǔn)確性相符也是很重要的。然后確認(rèn)是否需要低噪聲或特殊輸出電容器 (若有必要) 等特定特性，較后，考慮 ENABLE、POWER GOOD 或定序等其它功能。考慮以上各點(diǎn)可將適用的線性穩(wěn)壓器范圍縮小于特定的需求。

此外，選用線性穩(wěn)壓器時(shí)，也必須考慮通常會(huì)忽略的特定應(yīng)用散熱問題。大多數(shù) LDO 穩(wěn)壓器都會(huì)指定接合溫度上限，以確保運(yùn)作正常。此一上限限制了穩(wěn)壓器能夠在任何特定應(yīng)用中處理的功耗。首先計(jì)算實(shí)際功耗 PD，以等式表示 (不考慮靜態(tài)電流) 即為：

其次計(jì)算允許功耗上限 PD(max)，此一上限是以下列等式?jīng)Q定：

其中

為確保接合溫度上限不超過可接受的限制范圍，PD 必須小于或等于 PD(max)。

功耗產(chǎn)生的熱量是由線性穩(wěn)壓器的封裝及外部散熱器散出。影響散熱能力的因素包括 PCB 設(shè)計(jì)、放置組件的位置、與電路板其它組件的互動(dòng)情況、空氣流通狀況及海拔高度。如需線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的散熱考慮詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱德州儀器應(yīng)用說明事項(xiàng) SLVA118《數(shù)字設(shè)計(jì)人員的線性電壓穩(wěn)壓器及散熱管理指南》。

Literature

1.“Understanding the Terms and Definitions of Low-Dropout Voltage Regulators,” Application Report, October 1999, Texas Instruments, http://www.ti.com/litv/pdf/slva079.

2.“Technical Review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and Performance,” Application Report, August 1999, Texas Instruments: http://www.ti.com/litv/pdf/slva072.

3.“Digital Designer’s Guide to Linear Voltage Regulators and Thermal Management,” Application Report, April 2003, Texas Instruments: http://www.ti.com/litv/pdf/slva118.

4.“1.5A Ultra-LDO with Programmable Sequencing,” TPS74301 Datasheet, May 2008, Texas Instruments: http://www.ti.com/lit/gpn/tps74301.

關(guān)于作者

Marcus Zimnik 為中歐及東歐地區(qū)高效能模擬應(yīng)用部門模擬電路應(yīng)用經(jīng)理。Marcus 曾于德國(guó)紐倫堡 University of Erlangen 攻讀通訊電子，并獲得德國(guó)里根斯堡 Fachhochschule