超低靜態電流LDO穩壓器的選擇與應用

超低靜態電流LDO穩壓器的選擇與應用

電子設計 發表於 2019-02-06 10:32:00

低壓差穩壓器（一般稱作 LDO）在今天的許多應用已是一種常用器件，因為它們提供了一種簡單經濟的穩壓方法，能對由高輸入電壓經降壓後得到的輸出進行穩壓調節。 此外，與開關式穩壓器相比線性 LDO 電壓穩壓器的噪聲非常小。

儘管如此，要保持系統低功耗，這類穩壓器還必須具有超低靜態電流 （IQ），並通過出色的動態性能確保實現一個穩定的無噪聲電壓軌，以適用於驅動如微處理器、FPGA 和其他系統板上器件等 IC 負載。

我們在現實中無法同時擁有超低 IQ 和良好的動態響應特性。 實際上，具有相同 IQ 電流特性的兩個相似 LDO 在動態性能方面可能相去甚遠。 根據 ON Semiconductor 提供的一份應用說明 ¹，這兩種要求通常是相互排斥的，成為擺在功率 IC 設計人員面前的一道真正難題。 所以，市場上並沒有多少能同時滿足這兩種要求的 LDO。

偏置超低 IQ LDO

根據 ON Semi，影響超低 IQ LDO 穩壓器動態性能的主要因素是器件的製造工藝和相關電路設計。 雖然諸如 CMOS 或者 BiCMOS 等先進工藝經優化後能讓功率器件實現低功耗和高速性能，但動態性能卻取決於電路設計。 ON Semiconductor 的功率 IC 設計融合了這兩種技術，使器件性能獲得大幅提升。 除擁有超低 IQ 以及出色的線路、負載瞬態特性外，這種 LDO 還具有超低輸出噪聲和高電源抑制比 （PSRR） 特性。

Linear Technology Corp.、Maxim Integrated Products 和 Texas Instruments 等許多製造商也在這方面取得了類似的進步。 為適應各種不同的電池供電型移動應用，這些 LDO 供應商精心製造了具有高 PSRR、超低噪聲和快速響應特性的超低 IQ LDO。

傳統的做法是，超低 IQ CMOS LDO 通過採用常數偏置方案來確保接地電流 （IGND） 消耗在有效的電流範圍內保持相對穩定。 按照定義，IQ 決定 IGND。 ON Semiconductor 的 MC78LC 便是此類器件的一個很好的例子，其 IGND（或 IQ）為 1.5 µA。 正如 ON Semi 工程師在應用說明中指出的那樣，常數偏置的主要不足是相對較差的動態性能，即負載和線路瞬態、PSRR 和輸出噪聲性能弱。 ON Semi 建議採用較大的輸出電容器進行性能補償。 圖 1 所示為 LDO MC78LC 的輸出電容器 （COUT） 從 1 µF 增大至 100 µF 時的過衝和下衝。

圖 1：MC78LC 的輸出電容器 （COUT） 從 1 µF 增大至 100 µF 時，其過衝和下衝得到了明顯改善。

表 1 給出了對應於三個不同輸出電容值的精確過衝和下衝幅值。 由此看出，採用電容為 100 µF 的較大電容器時瞬態幅值大大減小。

輸出電容器 COUT 1 μF 10 μF 100 μF 過衝 +560 mV +180 mV +80 mV 下衝 -720 mV -240 mV -100 mV

表 1：MC78LC 對應用三個不同輸出電容器 COUT 值時的瞬態幅值。

雖然採用較大的輸出電容器能使 LDO 瞬態幅值急劇減小，但會延長建立時間。 而且在該應用說明中，工程師建議採用大型輸出電容器時，可能需要在 VIN 和 VOUT 引腳之間增加一個外部反向保護二極體。 這個反向二極體用於保護 LDO 穩壓器，防止輸入電壓突降期間的過大反向電流流入內部 PMOS 體二極體。 然而，ON Semiconductor 的產品行銷工程師 Pawel Holeksa 指出，增大 COUT 並不能保證獲得所需的性能。 另外，較大的輸出電容器和保護用外部二極體會增加該解決方案的成本和體積。

低噪聲、高 PSRR

因此，為了克服常數偏置法的局限性，ON Semiconductor 開發出一種採用巧妙偏置方案的 LDO。 通過改變接地電流或者 IQ 電流與輸出電流的輸出關係，全新 LDO 改善了常數偏置 LDO 相對較弱的動態性能。 類似的兩種產品為 NCP4681 和 NCP4624，其典型靜態電流分別為 1 µA 和 2 µA。 圖 2 說明了這些超低 IQ LDO 採用的設計理念，其中 IGND 電流隨著輸出電流成比例增大。 我們還可以看出，IGND 在 IOU 大於 2 mA 時開始增大。

圖 2：在 NCP4681 和 NCP4624 這兩款超低 IQ LDO 中，接地電流 IGND 隨著輸出電流成比例增大。

相比常數 IGND LDO，NCP4681/NCP4624 穩壓器的規格書表明，比例偏置法 LDO 顯著提升了電源抑制比 （PSRR） 和負載瞬態性能。 相比之下，NCP4681 在 100 Hz 和 IOUT = 30 mA 時把 PSRR 提升了大約 15 dB。 根據產品規格書，在這種額定電流和頻率以及 1.5 V 輸出、2.5 V 輸入電壓下，額定 PSRR 為 53 dB，並且當輸出電流降至 1 mA 時保持不變。 雖然比例偏置技術相比常數 IGND LDO 能提升動態性能，但還不能充分滿足一些要求苛刻的應用。

一些應用實際上要求超低 IQ LDO 具有更優的 PRSS 性能。 因此，當選擇超低 IQ LDO 穩壓器時除了瞬態響應外，LDO 噪聲和 PSRR 也是必須考慮的重要技術指標。 為此，Texas Instruments 開發出 TPS727xx 系列超低 IQ LDO，該系列器件具有非常高的 PSRR、超低噪聲和出色的瞬態響應性能。 TI 利用先進的 BiCMOS 工藝和 PMOS FET 無源器件實現了這一性能。 例如該系列中的 250 mA TPS72718，當輸出電壓為 1.8 V、輸入電壓為 2.3 V 且輸出電流為 2.3 mA 時，其 1 kHz 下的 IQ 為 7.9 µA、PSRR 為 70 dB（圖 3）。 在帶寬為 100 Hz 至 100 kHz 以及類似輸入和輸出條件下，輸出電壓噪聲僅 33.5 µVrms。

圖 3：超低 IQ LDO TPS72718 在輸入與輸出電壓差為 0.5 V、輸出電流為 10 mA 、1 kHz 頻率時的 PSRR 大於 70 dB。

同樣，為了在增強動態性能的同時仍保持超低 IQ，ON Semiconductor 也採用了一種稱作自適應接地電流的新技術。 採用這種技術的 LDO 能在一定輸出電流水平下提升接地電流，而不會削弱動態性能。 因此，在擁有出色的負載/線路瞬態和 PSRR 性能的同時，將輸出噪聲降至最低。 這類器件正進行優化，以便能向要求長電池壽命、小型解決方案基底面環境中的敏感性模擬/射頻電路供電。

總之，現代 LDO 結合了工藝技術和電路設計優勢，在實現超低 IQ LDO 的同時，使其負載瞬態、PSRR 和輸出噪聲等動態參數保持高性能水平。

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