為高性能系統挑選合適的低壓降穩壓器的考量

大部分系統設計工程師可能都會同意線性穩壓器是眾多穩壓器之中最容易使用的一種，而且由於這個原因，也最受系統設計工程師歡迎。但新一代的系統要求極為嚴格，因此只採用線性穩壓技術的高性能系統會受到較多的制約，以致很難充分發揮其性能。這個發展趨勢帶出以下幾個問題：系統設計工程師構思新產品時可以獲得哪一方面的技術支持？採用線性穩壓技術的直流/直流功率轉換系統有什麼優缺點？是否比採用其他線路布局的功率轉換系統優勝？技術上又有什麼局限？若以同一應用作比較，哪一類的低壓降穩壓器有較高的效率？不同廠商的線性穩壓器是否有高下優劣之別？

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　　看起來這些問題好像非常簡單，其實問題的答案比我們想像複雜，因為需要考慮的重要因素及技術參數非常多，加上有關因素的重要性經常被人忽略，因此系統設計工程師做出取捨時必須小心謹慎。由於新產品的供電要求越趨嚴格，電路板的面積也不斷縮小，加上系統必須保證能發揮最基本的性能，因此我們必須為新產品挑選合適的低壓降穩壓器。好的低壓降穩壓器可以解決很多應用上的問題；若穩壓器的選擇不當，整個設計根本就無法落實執行。

　　散熱、效率及封裝

　　線性穩壓器的輸入功率並非完全能從輸出埠輸出，兩者

　　的相差都會轉為熱能耗散掉。功率耗散 （Pd） 可以根據以下的公式粗略估算：

　　Pd = （Vin – Vout） * Iout

　　若要更精確計算功率耗散，我們必須將 Vin * Iq 這個變項計算在內。功率耗散總額可以根據以下公式計算出來：

　　Pd = （Vin – Vout） * Iout + Vin * Iq

　　若按照上述兩條公式，再將 5 伏 （V） 電壓調低至 1.5 伏 （靜態電流為 300mA），那麼線性穩壓器耗散為熱能的功率不會少於：

　　（5 – 1.5） * 0.35 = 1.225W

　　究竟這個功耗量應視為高還是低呢？有關這個問題我們不可過早做出判斷，我們必須根據晶片封裝以及電路板的類型與面積 （若採用表面貼裝封裝），找出這些變項與溫度上升幅度之間的函數關係，從而計算 1.225W 的功率耗散究竟會令溫度上升多少。這樣我們才可作出一個較為全面的判斷，確定 1.225W 的功率耗散是高還是低。系統設計工程師一般都喜歡採用最小巧的封裝，但這類封裝的熱阻值非常高，因此散熱能力也最差。

　　標準 SOT-23 及 SC-70 等小巧封裝的 qJA 值介於 200度/W 與 400度/W 之間。體積不大不小的 SOT-223、TO-252 （DPAK） 及其它無掩蔽焊球 SMD 封裝 （包括 PSOP 及 ETSSOP） 的 qJA 值則介於 50度/W 與 90度/W 之間。一般來說，只有較大的封裝 （例如 TO-220 及 TO-263） 才有較理想的 qJA 值，其數值介於 40度/W 與 60度/W 之間。大致上，這是封裝大小與溫度上升幅度之間的變化規律，適用於除 LLP之外的所有封裝。由於 LLP封裝的內部結構較為特別，例如晶片以面向上、底朝下的方式置於金屬面，而金屬面則設於封裝底部，並無任何掩蔽，因此這種超小型封裝的熱阻極低，甚至可媲美較大的封裝，是目前唯一一種熱阻值這樣低的超小型封裝。

　　上述數字對系統溫度有什麼影響？若功率耗散為 Pd = 1.225W，理論上 2.85mm x 3mm 的 SOT-23 封裝的溫度至少會上升 300度。6.6mm x 9.7mm 的 DPAK 封裝的受熱溫度會比環境溫度高 80度，只有 10.4mm x 14.35mm 的 TO-263 封裝或 2.9mm x 3.3mm 的 LLP 封裝才有較小的溫度升幅 （50度）。系統設計工程師若懂得如何選擇合適的線性穩壓器封裝，便可大致知道是否需要改用開關穩壓器。

　　靜態電流 （Iq） 及互補金屬氧化半導體 （CMOS） 低壓降穩壓器

　　靜態電流 （Iq） 也稱為操作電流或接地電流，是設計低功率、低操作電流及以電池供電的電子產品時需要考慮的其中一個重要因素。每當我們談及 1A、2A 或 3A 恆流負載時，我們會否忽略靜態電流所發揮的重要作用？系統設計工程師很多時都忽略這個問題 – 其實無視靜態電流的重要性可能要付出很大的代價。系統的靜態電流可能會隨著負載電流的增加而大幅上升，確實升幅取決於低壓降穩壓器所採用的工藝技術。以雙極低壓降穩壓器為例來說，3A 負載電流的靜態電流可能超過 200mA。此外，CMOS 低壓降穩壓器的靜態電流極低，而且不受負載大小影響，若滿載電流為 3A，靜態電流一般只有 3mA 至 15mA；若負載電流為 1A/2A，靜態電流則介於 100A 與 6mA 之間。（參看圖 1 所載有關供電電流與負載電流的函數關係圖，圖中比較的兩款 150mA 低壓降穩壓器分別採用 CMOS 及雙極工藝技術製造。）　　若輸出電流為 3A，靜態電流是 200mA 還是 6mA 的問題究竟是否這樣重要？正如上文所說，功率耗散總額是判斷低壓降穩壓器解決方案實際可行與否的決定性指標，雖然在計算功率耗散的公式之中，第一個變項會隨著不同的應用而改變 （亦即這個變項取決於輸入電壓與輸出電壓），但第二個變項則完全取決於靜態電流的大小，而且可能是左右功率耗散實際大小的一個重要因素。以 3.3 伏的輸入電壓為例來說，200mA 的靜態電流會將功率耗散提高 660mW，以如此高的功率耗散來說，有關的設計可能需要改用開關穩壓器。若靜態電流低至只有 6mA，功率耗散則只會增加約 20mW，這個增幅可說微不足道，因此功率耗散總額幾乎不受任何影響。以如此低的靜態電流來說，線性穩壓器仍可發揮其作用，因此只要靜態電流夠低，系統設計工程師仍然可以選用 CMOS 線性穩壓器。

　　在決定選用哪一個靜態電流數值之前，最好先查閱數據表內頁所載的滿載數值。目前業者都喜歡將最低或無負載的靜態電流數值列於數據表內最頂的一欄，工程師很多時以為這是滿載數值，很易被這欄數字誤導。

　　壓降及低輸入電壓的低壓降穩壓器

　　低壓降穩壓器的壓降是否真的很低？我們應再三思考這個問題。產品規格書上雖然標明所需壓降為 100mV，但這個數值只適用於某些應用情況，例如，輸入電壓若比穩壓器晶片的最低輸入電壓大，壓降便可能只有 100mV，但系統若需要 1.2 伏或更低的輸出電壓 （目前許多應用都必須採用這樣低的輸出電壓），而穩壓器需要不少於 2.5 伏的輸入電壓操作，例如輸入電壓介於 2.5 伏與 5.5 伏之間的典型穩壓器便需要 2.5 伏以上的輸入電壓，在這個情況下，真正壓降是：

　　2.5V - 1.2V = 1.3V

　　理論上，上述系統應該可以執行正常功能，但耗散為熱能的功率會佔很大的比重。

　　若系統的輸入電壓可改為 1.5 伏或 1.8 伏，當使用表明100mV壓降的低壓降穩壓器可大幅提升效率，以及降低溫度上升幅度和耗散的熱量。以 2.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩壓器為例來說，若採用 500mA 的負載：

　　功率耗散 = （2.5 - 1.2） * 0.5 = 0.65W

　　但同樣的系統若改用 1.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩壓器：

　　功率耗散 = （1.5 - 1.2） * 0.5 = 0.15W

　　兩者的功率耗散相差 500mW，這個數值可不小，難道我們可以置之不理嗎？

　　

　　圖 1：不同的低壓降穩壓器在滿載電流範圍內的供電電流 （Iq） 比較，比較的兩款大致相同的 150mA 低壓降穩壓器分別採用 CMOS 及雙極工藝技術製造

　　總結

　　由於新一代電子系統要求非常嚴格，因此利用低壓降晶片設計高性能的解決方案並非像以往那麼簡單容易。但系統設計工程師只要懂得挑選合適的穩壓器，並充分利用許多常常被忽略的參數，或充分利用只有新一代低壓降穩壓器才有的功能，便可採用極具成本效益而又容易設計的線性穩壓結構，以便充分利用這種結構的全新功能及特色如先進而散熱能力更強的超小型封裝、低靜態電流 （無論負載電流的高低）、超低輸入電壓、以及先進的 CMOS 低壓降穩壓器工藝技術。