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權衡關鍵指標 提升低壓降穩壓器性能

上網時間: 2008年06月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:低壓降穩壓器  LDO  NCP590 

現在的多電壓可攜式系統設計需要多種元件,才能管理從開關電容電荷泵到電感式DC/DC轉換器間的電源轉換。但當設計師想要一個可以較低成本、較少元件數而提供穩定電源的小型、容易建置的方案時,低壓降穩壓器(LDO)通常為其主要的選擇。

原因就在於LDO提供了一個很吸引人的價格、佔位空間、雜訊以及效率優勢。線性穩壓器顯然達不到像開關元件那麼高的電壓轉換效率,有些LDO的效率甚至只有35%到40%,而在空間受限的可攜式設計中,這些元件所耗散的熱也將導致嚴重問題。但LDO也具有高紋波抑制和低雜訊性能,因而相當適合RF和無線電等對於雜訊較敏感的應用。對於很少需要降壓轉換作用的電路而言,這些低雜訊的特性甚至還可補償較低劣的轉換效率。

在多項指標間權衡

在大多數情況下,像是輸入電壓範圍、輸出電壓、負載電流範圍和功耗等基本LDO的規格可以用來決定產品的選擇。但對於某些特殊的應用,規格的選擇及優先順序也將有所不同。例如在空間受限的可攜式應用中,靜態電流或封裝尺寸扮演著重要角色。無線手持應用市場的設計師可能必須採用晶片級封裝,以滿足空間限制和提供方便組裝的需求;其它應用或許可選用3x3mm SOT-23或更緊密的SC-70封裝。對於超小型系統設計,薄型SOT或QFN封裝都是不錯的選擇。

過去幾年來,LDO製造商的產品開發腳步不斷地追隨可攜式系統設計師對於較小封裝面積中的元件需求。例如安森美半導體(ON Semiconductor)最近發佈的NCP590雙輸出LDO,採用了2x2x0.9mm DFN-8小型封裝,每次輸出可高達300mA的電流。

另一個例子是Maxim公司的MAX8902A和MAX8902B,它們採用微型8接腳2x2mm TDFN封裝,最大輸出電流為500mA,電源抑制比(PSRR)在5kHz時最高可達92dB,RMS輸出雜訊為16μV,滿負載時最大壓降值為100mV。這兩款新元件適用於具空間限制的雜訊敏感電路設計應用,例如GPS元件、MP3播放器、PDA和行動電話。

對於靜態電流需求高的應用,必須先確認LDO能符合所有負載、溫度和製程變化規格。LDO設計師在這方面不斷取得重大進展。德州儀器(TI)公司所發佈的150mA TPS780xx LDO系列,可為基於MSP430微控制器的可攜式設備提供雙位準的電壓輸出,並具有超低靜態電流(500nA)特性,可延長電池壽命。利用該元件的電壓選擇接腳在兩個電壓位準之間切換,可使MSP430的待機功耗降低一半。典型的情況是當微處理器進入睡眠模式時,可將LDO動態地切換到較低的電壓位準。這兩個電壓位準在工廠中已預先設定了新式的EPROM架構。

如在RF或音訊領域等其它應用可能更為重視對電源紋波抑制比或雜訊。例如,現代手機拓樸(如CDMA)由於對於鄰近通道功率有嚴格要求且對電源雜訊靈敏度高,因而非常重視這兩個參數。對於RF、DSP和邏輯電源系統等對雜訊敏感的儀器,可選用凌力爾特(Linear)的1.1A LDO元件LT1965,該元件的輸出雜訊限制低於40μVrms,在負載為1.1A時,低壓降只有300mV(典型值)。

圖:TI公司的新型TPS780xx LDO可過動態地在兩個電壓位準之間切換來降低工作期間的功耗,進而延長電池壽命。
圖:TI公司的新型TPS780xx LDO可過動態地在兩個電壓位準之間切換來降低工作期間的功耗,進而延長電池壽命。

最小化折衷技巧

在許多情況下,可攜式應用的LDO設計師的作法是在不影響其它關鍵指標的前提下,儘可能地提供低靜態電流。例如Micrel公司的MIC5306具有16μA(典型值)的靜態電流以及0.01μA的關斷電流。在不折衷PSRR性能的情況下,它也具有極好的瞬態響應和低輸出雜訊特性。該元件在負載電流為150mA時的低壓降只有60mV (典型值),並支援2.25V到5.5V的寬輸入電壓範圍。

所有的LDO都必須使用輸入電容和輸出電容以確保元件穩定性。這些電容的等效串聯電阻(ESR)對於LDO的穩定度相當重要。一般來說,具有較低ESR的電容器可以改善LDO的PSRR、雜訊和瞬態性能。但ESR值通常較難控制,電容器製造商也較法確保證該電容器的ESR值。例如,鉭電容器的ESR會隨溫度而變化,並可能會對LDO的性能帶來不良影響。

再者,最近有許多LDO製造商改善了LDO產品的架構,採用較小的輸出電容值來支援所使用的低成本陶瓷電容。例如美國國家半導體(NS)的LP38500-ADJ FlexCap LDO採用了一種獨特的補償方案,可以用陶瓷鉭電容或鋁電容器(不管ESR多大)來獲得穩定性。類似地,Analog Devices公司的ADP330X系列,結合了設計革新和製程強化,因而可用一顆僅0.47μF的輸出電容來達到穩定性。這樣的低功率使設計師得以使用任何類型的電容器來達到元件的穩定度。

藉由將多功能整合在LDO穩壓器中,設計師亦可顯著地節省電路板空間。例如意法半導體(ST)推出的EMIF06-SD02F3記憶卡收發器,整合了5個記憶卡介面所需的關鍵功能,主要針對行動電話、GPS導航裝置、數位相機和其他消費性產品應用。這款200mA LDO單晶片整合了訊號調節、雙向位準轉換、靜電放電保護和EMI濾波功能,在負載為200mA時最大壓降為100mV。該款高整合度元件採用24焊球、間距為400μm的覆晶封裝。

圖:安森美半導體的雙輸出NCP590 LDO採用高度緊密的2x2x0.9mm DFN-封裝,有助於減少手機、PND和其他可攜式設備的尺寸。
圖:安森美半導體的雙輸出NCP590 LDO採用高度緊密的2x2x0.9mm DFN-封裝,有助於減少手機、PND和其他可攜式設備的尺寸。

作者:馬卓輝





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