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作者：凌力爾特公司 Steve Knoth 低電壓降壓型穩壓和轉換可運用多種方法來實現。開關穩壓器能夠在寬電壓范圍內實現高效運作，但其正常操作需要使用磁性元件及電容器。另外，也可以采用充電泵 (或開關電容器電壓轉換器)來實現較低電壓轉換，但這種方案的輸出電流能力有限，而且需要外部電容器以實現運作及穩定性。如今，新式設計方法和晶圓制造工藝已使低壓差線性穩壓器(LDO)能夠進入該應用領域。不過，只是近期才出現了一款可提供快速瞬態響應、低壓差電壓、低電壓運作(<0.6V輸出)、高輸出電流能力和單電源操作的LDO。 目前這一代快速、大流、低壓數字IC(例如，FPGA、CPU和ASIC)對那些負責給內核及I/O通道供電的電源提出了嚴苛的要求。然而，從功率輸送的角度來看這些數字IC并不可靠。傳統上，人們采用高效開關穩壓器來為這些器件供電，但它們具有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態響應和布局方面的局限性。因此，LDO正作為一種替代方案而逐步被這些應用以及其他低電壓轉換系統所接納，不過它也存在自身特有的局限性。然而，由于近期的產品創新和功能提升，這種趨勢正在發生改變，而且，最新面市的新款LDO在性能上所做的折中非常之少(如果有)。 基本的設計挑戰 大量的業界標準線性穩壓器采用單個電壓源來執行低壓差操作，但無法實現非常低電壓轉換 (<0.6V輸出)。PMOS LDO能實現此壓差并采用單電源運行，但由于傳輸晶體管的Vgs特性而在低輸入電壓條件下受到限制。NMOS型器件可提供快速瞬態響應，但需要使用兩個電源以對器件施加偏置。NPN穩壓器能提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但不需要兩個電源電壓就是需要較高的壓差。相比之下，利用正確的設計架構，PNP 穩壓器能夠在采用單個電源的情況下實現低壓差和低電壓轉換以及無懈可擊的保護功能。 由于工藝技術節點的尺寸持續縮小，因而要求這些數字 IC 和其他系統在較低的電壓條件下運作。對于很多現有的輸入電壓軌來說，較大電流及較低輸出電壓運作需要增加線性穩壓器中的功耗。功耗的這種增加將轉化為熱量；所以，必需采用最先進的封裝以盡量降低穩壓器內部的溫升，并減少應用中的熱問題。具低壓差運作能力的線性穩壓器減少了功率耗散的熱考量因素。 對高電源抑制比(PSRR)和低輸出電壓噪聲的要求是兩個額外的難題。具有高電源抑制比性能的器件可輕松地濾除和抑制來自輸入的噪聲，從而產生一個干凈和穩定的輸出。此外，對于當今那些需要考慮噪聲敏感性的新式電壓軌而言，在寬帶寬范圍內具有低輸出電壓噪聲的器件是有益的。顯然，大電流條件下的低輸出電壓噪聲是一項必不可少的規格指標。 一款適合低電壓轉換的新型單電源線性穩壓器 對于新式低電壓轉換系統來說，擁有必要規格指標的線性穩壓器可能是一種理想的解決方案；然而，為了使LDO得以采用，它將需要具備以下特性： ● 單電源操作(以實現易用性) ● 快速瞬態響應時間 ● 可在一個很寬的輸入/輸出電壓范圍內運作 ● 高輸出電流能力 ● 低輸出噪聲 ● 非常低壓差操作 ● 超卓的熱性能 ● 高PSRR(在高頻條件下) LT3022 VLDO穩壓器 LT3022是一款1A、非常低壓差(VLDO)線性穩壓器，具有低至0.9V的輸入電壓能力以及低至0.2V的可調輸出電壓。LT3022的低VIN能力加之此器件的低壓差 (在1A滿負載時的典型值為145mV)，使其非常適合于如FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器等數字 IC中常見的低電壓、大電流軌。它也可應用于一般的高效率、低VIN至低VOUT轉換 (例如，1.8～1.5V、1.5～1.2V或1.2～0.9V)。此外，該器件還以僅為400μA的靜態電流提供低功率工作模式，停機時靜態電流不到10μA，從而延長了電池供電型手持式應用中的運行時間。 
圖1 LT3022的典型應用電路━━可調輸出 LT3022穩壓器利用低ESR、電容值低至10μF的陶瓷輸出電容器來優化穩定性和瞬態響應。LT3022是高度準確的，在整個電壓、負載和溫度范圍內具有±3%的輸出電壓準確度、0.05%的典型電壓調整率和0.05%的典型負載調整率。該器件無懈可擊的內部保護電路包括電池反向保護、輸出反向保護、輸出至輸入(電流)反向保護、電流限制和具遲滯的熱限制。 最后，該器件采用16引腳3mm×5mm DFN封裝和耐熱性能增強型MSOP-16封裝，可在-40～+125℃的結溫范圍內工作。 快速瞬態響應和高PSRR LT3022的設計可在采用多種輸出電容器的情況下保持穩定，但專為低 ESR 陶瓷電容器而優化。輸出電容器的 ESR 會影響穩定性，這種影響在采用小值電容器時最為顯著。應采用一個最小電容值為10μF且ESR小于0.1Ω的輸出電容器以防止發生振蕩。LT3022是一款低電壓器件，而且輸出負載瞬態響應是輸出電容的一個函數。較大的輸出電容值可減小峰值偏差，并改善針對大負載電流變化的瞬態響應。
圖2 LT3022的負載瞬態響應 輸入PSRR將隨諸多因素而變化，例如，輸入和輸出電容器的尺寸和類型、負載電流和電路板布局等等。通常，CMOS穩壓器需要足夠的電壓儲備空間以驅動傳輸元件的柵極，否則其環路增益將受損，進而導致PSRR下降。PNP型穩壓器(如LT3022)的對數VBE特性意味著當超出壓差范圍時可提供卓越的環路增益和PSRR性能指標。如圖3所示，LT3022在整個帶寬范圍內均提供了優秀的電源抑制性能。
圖3 LT3022的輸入紋波抑制性能 大量的保護功能 LT3022具有多項保護功能，從而使其非常適合在電池供電型電路中使用。除了與單片式穩壓器相關的一般保護功能(如電流限制和熱限制)以外，該器件還提供了針對輸入電壓反向、輸出電壓反向、以及輸入至輸出電壓反向的保護功能。 電流限制保護和熱過載保護功能可避免器件遭受其輸出端上電流過載情況的損壞。對于標準操作，不要超過125℃的結溫。典型的熱停機溫度為165℃，而且熱停機電路具有約7℃的遲滯。 IN引腳可承受10V的反向電壓。LT3022將電流限制在1μA以下，而且在輸出端上不出現負電壓。當電池在插入時極性接反時，該器件可為自身及負載提供相應的保護。 倘若VOUT被拉至地電位以下，LT3022不會遭受損壞。假如VIN被置于開路狀態或接地，則可將VOUT拉至地電位以下達10V。沒有電流從與VOUT相連的傳輸晶體管流出。然而，電流流入(但受限于)負責設定輸出電壓的電阻分壓器。電流從分壓器中的底端電阻器以及ADJ引腳的內部箝位電路經由分壓器中的頂端電阻器流至外部電路，從而將VOUT拉至地電位以下。如果VIN由一個電壓源供電，則VOUT將提供與其電流限制能力相等的電流，而LT3022將利用熱限制功能對自身加以保護。在該場合中，把/SHDN引腳接地將關斷LT3022并阻止VOUT供應電流。 在需要采用一個后備電池的電路中，會出現幾種不同的輸入/輸出情況。可以在保持輸出電壓的同時將輸入拉至地電位、拉至某個中間電壓或置于開路狀態。在輸入接地的場合中，反向輸出電流小于1μA。如果強制LT3022的IN引腳電壓低于OUT引腳或將OUT引腳電壓拉至高于IN引腳，則輸入電流通常將減小至10μA以下。這種狀況出現在LT3022輸入連接至一個放電(低電壓)電池之時，而由一個后備電池或第二個穩壓器電路負責保持輸出。如果VOUT被拉至高于VIN，則/SHDN引腳的狀態不會影響反向輸出電流。 結論 業界的許多LDO雖然實現了快速瞬態響應和低壓差，但傳統上需要采用一種兩電源配置以提供低電壓操作。然而，新型電路設計方法及改良型晶圓制造工藝拓展了PNP型傳輸晶體管LDO的性能。LT3022是一款采用單工作電源的1A VLDO線性穩壓器，具有低至0.9V的輸入電壓能力和低至0.2V的可調輸出電壓、無懈可擊的保護功能、快速瞬態響應以及高PSRR。 |
