電子應(yīng)用設(shè)計(jì)人員現(xiàn)今面臨的一項(xiàng)極重要挑戰(zhàn)是將電子系統(tǒng)能耗降至最低。為了達(dá)到此目的，大多數(shù)系統(tǒng)利用不同的低功率模式，幫助降低整體功耗。在利用不同工作模式時(shí)，系統(tǒng)供電電流差異極大，低者如休眠模式下僅為數(shù)微安(μA)或不足1微安，高者如完整功率模式下達(dá)數(shù)十毫安(mA)甚至數(shù)百毫安。低壓降線性穩(wěn)壓器(通常簡稱為LDO)是任何電源系統(tǒng)的常見構(gòu)建模塊，而線性穩(wěn)壓器的選擇對系統(tǒng)總體能耗有重要影響。不僅如此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常要求LDO不僅具有超低靜態(tài)電流特性，還應(yīng)當(dāng)提供良好的動(dòng)態(tài)性能，確保提供穩(wěn)定及無噪聲的電壓輸入端，適合敏感電路應(yīng)用。這些要求還常常相互排斥，為IC設(shè)計(jì)人員帶來切實(shí)的挑戰(zhàn)。因此，市場上同時(shí)滿足兩方面要求的LDO為數(shù)不多。

本文將探討在選擇LDO時(shí)需要在提供低I_Q與良好動(dòng)態(tài)性能之間進(jìn)行的折衷，及現(xiàn)時(shí)一些能達(dá)至可接受的平衡的技巧。

選擇LDO時(shí)要顧及的因素

為低功率應(yīng)用選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)，工程師主要搜尋符合他們輸入電壓及輸出電流規(guī)格的超低I_Q(本文的定義是靜態(tài)電流I_Q<15 μA) LDO。當(dāng)根據(jù)I_Q規(guī)格來進(jìn)行選擇可提供一些很好的LDO電流消耗相關(guān)的初始信息，但I(xiàn)_Q相同或近似的兩款LDO在動(dòng)態(tài)性能方面可能差異很大。如果我們回想起來I_Q的定義是沒有施加任何負(fù)載條件下的接地電流消耗，那么I_Q就變成一個(gè)實(shí)際參數(shù)了。在實(shí)際案例中，可能更適宜于查看極輕載條件下的接地電流消耗(數(shù)微安至數(shù)百微安)。需要說明的是，在評估不同制造商的各種LDO產(chǎn)品后，不難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)表中的I_Q規(guī)格僅針對的是完美的空載條件，而非較真實(shí)的10至100μA輸出負(fù)載。某些時(shí)候，知道與輸入電壓或溫度相關(guān)的接地電流特性也有實(shí)質(zhì)意義。市場上某些穩(wěn)壓器在輸入電壓下降時(shí)接地電流明顯增大，LDO進(jìn)入其壓降區(qū)。在選擇用于電池供電設(shè)備的LDO時(shí)，這可能是重要因素。其它意料之外的電流消耗可能對產(chǎn)品有負(fù)責(zé)影響，大幅縮短電池使用時(shí)間。如果應(yīng)用在大部分時(shí)間處于空閑或休眠狀態(tài)，僅消耗極小電流，這種意料之外的影響就尤為嚴(yán)重了。設(shè)計(jì)人員應(yīng)常閱讀數(shù)據(jù)表的I_Q規(guī)格，而且若有可能，在決定選擇某個(gè)特定LDO之前，還要審查相關(guān)的I_Q與I_LOAD對比圖表。

超低I_Q LDO的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)

影響超低I_Q LDO穩(wěn)壓器動(dòng)態(tài)性能參數(shù)主要有兩項(xiàng)因素。一是使用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。安森美半導(dǎo)體的大多數(shù)超低I_Q LDO采用的是先進(jìn)的CMOS或BiCMOS技術(shù)，并提供針對低功耗、高速電源管理IC優(yōu)化的特定工藝流程。雖然恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)選擇必不可少，但很明顯的是，這還不能確保LDO穩(wěn)壓器具有良好的動(dòng)態(tài)性能。確定最終性能的第二個(gè)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)LDO時(shí)應(yīng)用的設(shè)計(jì)技術(shù)，而這來自于此領(lǐng)域的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。安森美半導(dǎo)體在這個(gè)領(lǐng)域擁有40多年的經(jīng)驗(yàn)，最新世代的器件同時(shí)提供超低噪聲、良好的電源抑制比(PSRR)及超低I_Q。為了詳細(xì)闡明這一點(diǎn)，下文將探討不同類型穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)性能。

圖1：MC78LC負(fù)載瞬態(tài)改善。

不同類型的超低I_Q LDO簡介

1)       恒定偏置LDO穩(wěn)壓器

傳統(tǒng)上的超低I_Q CMOS LDO使用恒定偏置(constant biasing)原理。這表示在能夠提供的輸出電流范圍內(nèi)，接地電流消耗保持相對恒定。如MC78LC或NCP551器件，各自的接地電流I_GND(或靜態(tài)電流I_Q)分別為1.5μA和4 μA。這些器件非常適合性能要求相對不那么嚴(yán)格的電池供電應(yīng)用。它們的主要劣勢是動(dòng)態(tài)性能較差，如負(fù)載及線路瞬態(tài)、PSRR或輸出噪聲等。通?？梢允褂幂^大的輸出電容來調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能。圖1顯示了通過將輸出電容由1 μF增加至100 μF來改善MC78LC的負(fù)載瞬態(tài)過沖及欠沖。

但提升輸出電容C_OUT并不總是能夠提供想要的性能，甚至還可能更麻煩，因可能需要增加額外保護(hù)二極管，或某些應(yīng)用要求快速設(shè)定時(shí)間、小尺寸方案或小浪涌電流。在這些情況下，推薦使用后文提到的一些更新的LDO。

2)       正比例偏置LDO穩(wěn)壓器

為了改善恒定偏置(恒定I_GND) LDO較弱的動(dòng)態(tài)性能，一些相對較新器件的接地電流與輸出電流成正比例地變化。這樣的LDO有如安森美半導(dǎo)體的NCP4681及NCP4624，兩者的典型靜態(tài)電流分別為1 μA和2 μA。圖2顯示了正比例I_GND LDO所使用的概念。這些器件被設(shè)計(jì)為在輸出電流I_OUT > 2 mA時(shí)I_GND開始上升。這就確保LDO在輕載時(shí)的電流消耗實(shí)際上恒定，符合數(shù)據(jù)表中的I_Q規(guī)格。

圖2：NCP4681、NCP4624的I_GND vs. I_OUT。

3)       自適應(yīng)偏置LDO穩(wěn)壓器

為了同時(shí)提供極佳的動(dòng)態(tài)參數(shù)及超低I_Q，最新代的安森美半導(dǎo)體LDO應(yīng)用了稱作“自適應(yīng)接地電流”的技術(shù)。這些穩(wěn)壓器使用特殊技巧來在某種輸出電流電平提升接地電流，而不會(huì)損及輕載能效。正因?yàn)榇?，終端應(yīng)用可以提供良好的負(fù)載/線路瞬態(tài)、PSRR及輸出噪聲性能的優(yōu)勢。帶自適應(yīng)偏置技術(shù)的IC有如NCP4587/NCP4589及NCP702，I_Q分別為1.5 μA和9 μA。NCP702還在噪聲方面進(jìn)行了額外優(yōu)化，100 Hz至100 kHz噪聲帶寬時(shí)的典型噪聲僅為11.5 μV_RMS。它非常適合于為要求長電池使用時(shí)間及小方案尺寸環(huán)境中的敏感模擬及射頻電路供電。

圖3：NCP702輸出噪聲密度。

三類超低I_Q LDO動(dòng)態(tài)性能比較

圖4顯示了上述三類超低I_Q LDO的接地電流與輸出電流對比圖。比較中使用的所有LDO都具有在1 μA至1.5 μA之間的極相近靜態(tài)電流規(guī)格。它們的接地電流與輸出電流的相關(guān)關(guān)系大為不同。因此，這些穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)性能也差異極大。NCP4587作為自適應(yīng)偏置LDO，其負(fù)載瞬態(tài)性能優(yōu)勢很明顯。三款器件的瞬態(tài)幅度比較如圖5所示。

AE引腳功能

另一值得提及可以用于改善超低I_Q LDO動(dòng)態(tài)參數(shù)的特性通常稱作Auto-ECO(AE)功能(見圖6)。將額外的AE引腳設(shè)為邏輯低電平時(shí)，用戶可以將LDO穩(wěn)壓器配置為自適應(yīng)接地電流超低I_Q LDO。將AE引腳拉至高電平時(shí)，低輸出電流時(shí)的接地電流消耗上升至約40 μA，實(shí)質(zhì)提升從極輕載到高負(fù)載條件下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在負(fù)載電流較大時(shí)，兩種工作模式下I_GND大致相等，動(dòng)態(tài)性能基本沒有差別。圖7顯示了AE引腳狀態(tài)影響LDO穩(wěn)壓器的接地電流消耗。

圖6：帶AE引腳的NCP4587/9 LDO電路圖。     圖7：帶AE引腳的NCP4587/9 LDO電流。

在系統(tǒng)周期性地從休眠模式進(jìn)入滿額功率模式的應(yīng)用中，AE引腳非常有用。如果這兩種狀態(tài)之間的過渡極快，就會(huì)遭受大的欠沖。雖然NCP4587/9與其它LDO相比具有極佳的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，通過將AE引腳與微控制器(MCU) I/O線路(舉例而言)連接并通過此I/O線路提前提示負(fù)載電流需求增加，就可以進(jìn)一步優(yōu)化欠沖。作為實(shí)際案例，許多GPS接收器芯片組配備了外部喚醒(WAKEUP)信號來提前提示GPS從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。信號通常連接至外部有源天線電源，也可以與為GPS芯片組供電的穩(wěn)壓器一起使用。通過這種方式，LDO穩(wěn)壓器在GPS從休眠模式過渡到滿額功率模式之前就手動(dòng)地設(shè)定為較高的接地電流消耗模式，從而提升動(dòng)態(tài)性能。

靜態(tài)電流差異及其對電池使用時(shí)間的影響

下面將更密切地審視數(shù)據(jù)表中的靜態(tài)電流規(guī)格與實(shí)際測量結(jié)果的比較。在某些情況下，數(shù)據(jù)表中標(biāo)明的數(shù)據(jù)可能會(huì)與實(shí)際測量值差異極大。我們將確定要查看的某些參數(shù)，從而避免電流消耗超出預(yù)計(jì)。

例如，我們可以考慮都帶有自適應(yīng)接地電流配置的兩款極相似的LDO：典型I_Q為10 μA的NCP702及典型I_Q為11 μA的某LDO競爭器件。表2顯示了I_OUT為0 μA時(shí)數(shù)據(jù)表靜態(tài)電流值及I_OUT為10 μA和50 μA的實(shí)際接地電流消耗測量值。

表2：安森美半導(dǎo)體NCP702及LDO競爭測量值與數(shù)據(jù)表值比較。

在NCP702的案例中，I_OUT為10 μA時(shí)測得的I_GND值與數(shù)據(jù)表中的I_Q值極為接近。相比較而言，競爭器件在I_OUT為10 μA時(shí)的實(shí)際I_GND測量值要比數(shù)據(jù)表中的I_Q值高出約49%。

靜態(tài)電流的差異對電池使用時(shí)間到底有多大的影響？這個(gè)問題還不能簡單而論，它跟LDO的具體終端應(yīng)用有關(guān)。安森美半導(dǎo)體以使用LDO將電池電壓向下轉(zhuǎn)換并為負(fù)載提供電流的應(yīng)用為例，基于NCP702和上述LDO競爭器件進(jìn)行了測試比較。結(jié)果顯示，在I_OUT為40 μA的輕載條件下，NCP702節(jié)省能耗約20%。但較大負(fù)載時(shí)，由于LED接地電流相對于從電池吸收的輸出電流較小，就沒有明顯的節(jié)省能耗優(yōu)勢了。

負(fù)載電流變化對電池使用時(shí)間的影響

LDO輸出電流極少保持恒定，我們可以擴(kuò)展研究范圍，考慮負(fù)載電流變化的情況。通常在這類應(yīng)用中，采用LDO穩(wěn)壓器供電的電路會(huì)在休眠模式與工作模式之間轉(zhuǎn)換。例如，圖8顯示了占空比為10%的某應(yīng)用的負(fù)載電流特性。負(fù)載在休眠模式下消耗40 μA電流，工作模式下電流消耗為100 mA。在輸出電流為40 μA時(shí)，NCP702將增加11.1 μA的接地電流，故總電池電流為51.1 μA。相同輸出電流時(shí)，LDO競爭器件增加的接地電流為21.4 μA，相應(yīng)消耗的總電池電流為61.4 μA。兩者之間相差20.2%。這表示在休眠模式下NCL704能節(jié)省電池電量消耗。圖9顯示的則是NCP702在不同占空比時(shí)能夠節(jié)省的電池電量。

圖8：負(fù)載電流特性示例                   圖9：不同占空比時(shí)節(jié)省的電池電量。

LDO進(jìn)入壓降區(qū)時(shí)的接地電流

LDO另一項(xiàng)很重要但又常常被輕視的參數(shù)就是LDO在進(jìn)入壓降條件下的接地電流消耗。在鋰離子電池或鋰聚合物電池供電的產(chǎn)品中，常見使用LDO來高能效地對電源穩(wěn)壓，產(chǎn)生3.3 V或3.1 V輸出電壓。然而，隨著電池放電，電池電壓衰減，LDO的輸入電壓V_IN可能接近輸出電壓V_OUT，到達(dá)LDO穩(wěn)壓器進(jìn)入壓降區(qū)的那個(gè)點(diǎn)。在這種情況下，市場上的大多數(shù)超低I_Q LDO將開始消耗明顯高得多的接地電流，超出數(shù)據(jù)表中標(biāo)出的值。圖10所示的不同輸入電壓條件下的I_GND關(guān)系圖可以說明這一點(diǎn)。

圖10：I_GND vs. V_IN示例。

如圖10所示，在壓降區(qū)，LDO開始消耗多達(dá)100 μA電流。為了在功率敏感型應(yīng)用中解決這個(gè)問題，建議增加帶可調(diào)節(jié)遲滯特性的極低功率監(jiān)控器，用于在負(fù)載移除后恢復(fù)電池電壓。在某些遲滯特性不充足的情況下，帶閂鎖輸出的其它電壓檢測器可能更適合。但這將導(dǎo)致需要使用按鈕或來自電池充電控制器的信息來清除閂鎖。

安森美半導(dǎo)體最新世代的超低I_Q LDO整合了集成壓降條件檢測器，可以防止低輸入電壓條件下接地電流上升。集成了這種理念的器件包括NCP702和NCP4681等。

小結(jié)：

傳統(tǒng)上，改善LDO穩(wěn)壓器的電流消耗表示要損及動(dòng)態(tài)性能。新的工藝技術(shù)及設(shè)計(jì)技巧帶來像安森美半導(dǎo)體提供的系列超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器能夠更好地結(jié)合低靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)性能。本文指出了設(shè)計(jì)人員在選擇LDO時(shí)應(yīng)該顧及的一些因素，包括密切注意LDO數(shù)據(jù)表，理解器件的具體工作特性，進(jìn)行根據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵要求選擇適合的方案。

表3：安森美半導(dǎo)體超低I_Q LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)品系列(*表示工作模式可藉AE引腳來選擇)

供稿：安森美半導(dǎo)體

參考資料：

1、”A Guide to Choosing the Right Ultra-Low I_Q Low Dropout Linear Voltage Regulators”，安森美半導(dǎo)體應(yīng)用注釋，www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND9089-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

2、安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站線性穩(wěn)壓器專區(qū)，www.onsemi.cn/PowerSolutions/parametrics.do?id=366