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如何选择恰当的超低静态电流LDO稳压器
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电子应用设计人员现今面临的一项极重要挑战是将电子系统能耗降至最低。为了达到此目的,大多数系统利用不同的低功率模式,帮助降低整体功耗。在利用不同工作模式时,系统供电电流差异极大,低者如休眠模式下仅为数微安(μA)或不足1微安,高者如完整功率模式下达数十毫安(mA)甚至数百毫安。低压降线性稳压器(通常简称为LDO)是任何电源系统的常见构建模块,而线性稳压器的选择对系统总体能耗有重要影响。不仅如此,系统设计常常要求LDO不仅具有超低静态电流特性,还应当提供良好的动态性能,确保提供稳定及无噪声的电压输入端,适合敏感电路应用。这些要求还常常相互排斥,为IC设计人员带来切实的挑战。因此,市场上同时满足两方面要求的LDO为数不多。

本文将探讨在选择LDO时需要在提供低IQ与良好动态性能之间进行的折衷,及现时一些能达至可接受的平衡的技巧。

选择LDO时要顾及的因素

为低功率应用选择线性稳压器时,工程师主要搜寻符合他们输入电压及输出电流规格的超低IQ(本文的定义是静态电流IQ<15 μA) LDO。当根据IQ规格来进行选择可提供一些很好的LDO电流消耗相关的初始信息,但IQ相同或近似的两款LDO在动态性能方面可能差异很大。如果我们回想起来IQ的定义是没有施加任何负载条件下的接地电流消耗,那么IQ就变成一个实际参数了。在实际案例中,可能更适宜于查看极轻载条件下的接地电流消耗(数微安至数百微安)。需要说明的是,在评估不同制造商的各种LDO产品后,不难发现数据表中的IQ规格仅针对的是完美的空载条件,而非较真实的10至100 μA输出负载。某些时候,知道与输入电压或温度相关的接地电流特性也有实质意义。市场上某些稳压器在输入电压下降时接地电流明显增大,LDO进入其压降区。在选择用于电池供电设备的LDO时,这可能是重要因素。其它意料之外的电流消耗可能对产品有负责影响,大幅缩短电池使用时间。如果应用在大部分时间处于空闲或休眠状态,仅消耗极小电流,这种意料之外的影响就尤为严重了。设计人员应常阅读数据表的IQ规格,而且若有可能,在决定选择某个特定LDO之前,还要审查相关的IQ与ILOAD对比图表。

超低IQ LDO的动态性能参数

影响超低IQ LDO稳压器动态性能参数主要有两项因素。一是使用的技术节点。安森美半导体的大多数超低IQ LDO采用的是先进的CMOS或BiCMOS技术,并提供针对低功耗、高速电源管理IC优化的特定工艺流程。虽然恰当的技术选择必不可少,但很明显的是,这还不能确保LDO稳压器具有良好的动态性能。确定最终性能的第二个关键是设计LDO时应用的设计技术,而这来自于此领域的设计经验。安森美半导体在这个领域拥有40多年的经验,最新世代的器件同时提供超低噪声、良好的电源抑制比(PSRR)及超低IQ。为了详细阐明这一点,下文将探讨不同类型稳压器的动态性能。

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图1:MC78LC负载瞬态改善

不同类型的超低IQ LDO简介

1) 恒定偏置LDO稳压器

传统上的超低IQ CMOS LDO使用恒定偏置(constant biasing)原理。这表示在能够提供的输出电流范围内,接地电流消耗保持相对恒定。如MC78LC或NCP551器件,各自的接地电流IGND(或静态电流IQ)分别为1.5 μA和4 μA。这些器件非常适合性能要求相对不那么严格的电池供电应用。它们的主要劣势是动态性能较差,如负载及线路瞬态、PSRR或输出噪声等。通常可以使用较大的输出电容来调节动态性能。图1显示了通过将输出电容由1 μF增加至100 μF来改善MC78LC的负载瞬态过冲及欠冲。

但提升输出电容COUT并不总是能够提供想要的性能,甚至还可能更麻烦,因可能需要增加额外保护二极管,或某些应用要求快速设定时间、小尺寸方案或小浪涌电流。在这些情况下,推荐使用后文提到的一些更新的LDO。

2) 正比例偏置LDO稳压器

为了改善恒定偏置(恒定IGND) LDO较弱的动态性能,一些相对较新器件的接地电流与输出电流成正比例地变化。这样的LDO有如安森美半导体的NCP4681及NCP4624,两者的典型静态电流分别为1 μA和2 μA。图2显示了正比例IGND LDO所使用的概念。这些器件被设计为在输出电流IOUT > 2 mA时IGND开始上升。这就确保LDO在轻载时的电流消耗实际上恒定,符合数据表中的IQ规格。

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图2:NCP4681、NCP4624的IGND vs. IOUT

3) 自适应偏置LDO稳压器

为了同时提供极佳的动态参数及超低IQ,最新代的安森美半导体LDO应用了称作“自适应接地电流”的技术。这些稳压器使用特殊技巧来在某种输出电流电平提升接地电流,而不会损及轻载能效。正因为此,终端应用可以提供良好的负载/线路瞬态、PSRR及输出噪声性能的优势。带自适应偏置技术的IC有如NCP4587/NCP4589及NCP702,IQ分别为1.5 μA和9 μA。NCP702还在噪声方面进行了额外优化,100 Hz至100 kHz噪声带宽时的典型噪声仅为11.5 μVRMS。它非常适合于为要求长电池使用时间及小方案尺寸环境中的敏感模拟及射频电路供电。

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图3:NCP702输出噪声密度

三类超低IQ LDO动态性能比较

图4显示了上述三类超低IQ LDO的接地电流与输出电流对比图。比较中使用的所有LDO都具有在1 μA至1.5 μA之间的极相近静态电流规格。它们的接地电流与输出电流的相关关系大为不同。因此,这些稳压器的动态性能也差异极大。NCP4587作为自适应偏置LDO,其负载瞬态性能优势很明显。三款器件的瞬态幅度比较如图5所示。

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图4:IGND vs. IOUT比较

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图5:负载瞬态比较

表1:超低IQ LDO负载瞬态幅度比较
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AE引脚功能

另一值得提及可以用于改善超低IQ LDO动态参数的特性通常称作Auto-ECO(AE)功能(见图6)。将额外的AE引脚设为逻辑低电平时,用户可以将LDO稳压器配置为自适应接地电流超低IQ LDO。将AE引脚拉至高电平时,低输出电流时的接地电流消耗上升至约40 μA,实质提升从极轻载到高负载条件下的负载瞬态响应。在负载电流较大时,两种工作模式下IGND大致相等,动态性能基本没有差别。图7显示了AE引脚状态影响LDO稳压器的接地电流消耗。

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图6:带AE引脚的NCP4587/9 LDO电路图

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图7:带AE引脚的NCP4587/9 LDO电流

在系统周期性地从休眠模式进入满额功率模式的应用中,AE引脚非常有用。如果这两种状态之间的过渡极快,就会遭受大的欠冲。虽然NCP4587/9与其它LDO相比具有极佳的负载瞬态响应,通过将AE引脚与微控制器(MCU) I/O线路(举例而言)连接并通过此I/O线路提前提示负载电流需求增加,就可以进一步优化欠冲。作为实际案例,许多GPS接收器芯片组配备了外部唤醒(WAKEUP)信号来提前提示GPS从休眠状态转换状态。信号通常连接至外部有源天线电源,也可以与为GPS芯片组供电的稳压器一起使用。通过这种方式,LDO稳压器在GPS从休眠模式过渡到满额功率模式之前就手动地设定为较高的接地电流消耗模式,从而提升动态性能。

静态电流差异及其对电池使用时间的影响

下面将更密切地审视数据表中的静态电流规格与实际测量结果的比较。在某些情况下,数据表中标明的数据可能会与实际测量值差异极大。我们将确定要查看的某些参数,从而避免电流消耗超出预计。

例如,我们可以考虑都带有自适应接地电流配置的两款极相似的LDO:典型IQ为10 μA的NCP702及典型IQ为11 μA的某LDO竞争器件。表2显示了IOUT为0 μA时数据表静态电流值及IOUT为10 μA和50 μA的实际接地电流消耗测量值。

表2:安森美半导体NCP702及LDO竞争测量值与数据表值比较。
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在NCP702的案例中,IOUT为10 μA时测得的IGND值与数据表中的IQ值极为接近。相比较而言,竞争器件在IOUT为10 μA时的实际IGND测量值要比数据表中的IQ值高出约49%。

静态电流的差异对电池使用时间到底有多大的影响?这个问题还不能简单而论,它跟LDO的具体终端应用有关。安森美半导体以使用LDO将电池电压向下转换并为负载提供电流的应用为例,基于NCP702和上述LDO竞争器件进行了测试比较。结果显示,在IOUT为40 μA的轻载条件下,NCP702节省能耗约20%。但较大负载时,由于LED接地电流相对于从电池吸收的输出电流较小,就没有明显的节省能耗优势了。

负载电流变化对电池使用时间的影响

LDO输出电流极少保持恒定,我们可以扩展研究范围,考虑负载电流变化的情况。通常在这类应用中,采用LDO稳压器供电的电路会在休眠模式与工作模式之间转换。例如,图8显示了占空比为10%的某应用的负载电流特性。负载在休眠模式下消耗40 μA电流,工作模式下电流消耗为100 mA。在输出电流为40 μA时,NCP702将增加11.1 μA的接地电流,故总电池电流为51.1 μA。相同输出电流时,LDO竞争器件增加的接地电流为21.4 μA,相应消耗的总电池电流为61.4 μA。两者之间相差20.2%。这表示在休眠模式下NCL704能节省电池电量消耗。图9显示的则是NCP702在不同占空比时能够节省的电池电量。

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图8:负载电流特性示例

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图9:不同占空比时节省的电池电量

LDO进入压降区时的接地电流

LDO另一项很重要但又常常被轻视的参数就是LDO在进入压降条件下的接地电流消耗。在锂离子电池或锂聚合物电池供电的产品中,常见使用LDO来高能效地对电源稳压,产生3.3 V或3.1 V输出电压。然而,随着电池放电,电池电压衰减,LDO的输入电压VIN可能接近输出电压VOUT ,到达LDO稳压器进入压降区的那个点。在这种情况下,市场上的大多数超低IQ LDO将开始消耗明显高得多的接地电流,超出数据表中标出的值。图10所示的不同输入电压条件下的IGND关系图可以说明这一点。

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图10:IGND vs. VIN示例

如图10所示,在压降区,LDO开始消耗多达100 μA电流。为了在功率敏感型应用中解决这个问题,建议增加带可调节迟滞特性的极低功率监控器,用于在负载移除后恢复电池电压。在某些迟滞特性不充足的情况下,带闩锁输出的其它电压检测器可能更适合。但这将导致需要使用按钮或来自电池充电控制器的信息来清除闩锁。

安森美半导体最新世代的超低IQ LDO整合了集成压降条件检测器,可以防止低输入电压条件下接地电流上升。集成了这种理念的器件包括NCP702和NCP4681等。

小结:

传统上,改善LDO稳压器的电流消耗表示要损及动态性能。新的工艺技术及设计技巧带来像安森美半导体提供的系列超低静态电流LDO稳压器能够更好地结合低静态电流和动态性能。本文指出了设计人员在选择LDO时应该顾及的一些因素,包括密切注意LDO数据表,理解器件的具体工作特性,进行根据应用的关键要求选择适合的方案。

参考资料:
1、”A Guide to Choosing the Right Ultra-Low IQ Low Dropout Linear Voltage Regulators”,安森美半导体应用注释,www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND9089-D.PDF,安森美半导体
2、安森美半导体网站线性稳压器专区,www.onsemi.cn/PowerSolutions/parametrics.do?id=366(end)
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