超低静态电流LDO稳压器的选择与应用

电子设计 2019-02-06 8350

描述

低压差稳压器（一般称作 LDO）在今天的许多应用已是一种常用器件，因为它们提供了一种简单经济的稳压方法，能对由高输入电压经降压后得到的输出进行稳压调节。此外，与开关式稳压器相比线性 LDO 电压稳压器的噪声非常小。

尽管如此，要保持系统低功耗，这类稳压器还必须具有超低静态电流（IQ），并通过出色的动态性能确保实现一个稳定的无噪声电压轨，以适用于驱动如微处理器、FPGA 和其他系统板上器件等 IC 负载。

我们在现实中无法同时拥有超低 IQ 和良好的动态响应特性。实际上，具有相同 IQ 电流特性的两个相似 LDO 在动态性能方面可能相去甚远。根据 ON Semiconductor 提供的一份应用说明 ¹，这两种要求通常是相互排斥的，成为摆在功率 IC 设计人员面前的一道真正难题。所以，市场上并没有多少能同时满足这两种要求的 LDO。

偏置超低 IQ LDO

根据 ON Semi，影响超低 IQ LDO 稳压器动态性能的主要因素是器件的制造工艺和相关电路设计。虽然诸如 CMOS 或者 BiCMOS 等先进工艺经优化后能让功率器件实现低功耗和高速性能，但动态性能却取决于电路设计。 ON Semiconductor 的功率 IC 设计融合了这两种技术，使器件性能获得大幅提升。除拥有超低 IQ 以及出色的线路、负载瞬态特性外，这种 LDO 还具有超低输出噪声和高电源抑制比（PSRR）特性。

Linear Technology Corp.、Maxim Integrated Products 和 Texas Instruments 等许多制造商也在这方面取得了类似的进步。为适应各种不同的电池供电型移动应用，这些 LDO 供应商精心制造了具有高 PSRR、超低噪声和快速响应特性的超低 IQ LDO。

传统的做法是，超低 IQ CMOS LDO 通过采用常数偏置方案来确保接地电流（IGND）消耗在有效的电流范围内保持相对稳定。按照定义，IQ 决定 IGND。 ON Semiconductor 的 MC78LC 便是此类器件的一个很好的例子，其 IGND（或 IQ）为 1.5 µA。正如 ON Semi 工程师在应用说明中指出的那样，常数偏置的主要不足是相对较差的动态性能，即负载和线路瞬态、PSRR 和输出噪声性能弱。 ON Semi 建议采用较大的输出电容器进行性能补偿。图 1 所示为 LDO MC78LC 的输出电容器（COUT）从 1 µF 增大至 100 µF 时的过冲和下冲。

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图 1：MC78LC 的输出电容器（COUT）从 1 µF 增大至 100 µF 时，其过冲和下冲得到了明显改善。

表 1 给出了对应于三个不同输出电容值的精确过冲和下冲幅值。由此看出，采用电容为 100 µF 的较大电容器时瞬态幅值大大减小。

输出电容器 COUT 1 μF 10 μF 100 μF 过冲 +560 mV +180 mV +80 mV 下冲 -720 mV -240 mV -100 mV

表 1：MC78LC 对应用三个不同输出电容器 COUT 值时的瞬态幅值。

虽然采用较大的输出电容器能使 LDO 瞬态幅值急剧减小，但会延长建立时间。而且在该应用说明中，工程师建议采用大型输出电容器时，可能需要在 VIN 和 VOUT 引脚之间增加一个外部反向保护二极管。这个反向二极管用于保护 LDO 稳压器，防止输入电压突降期间的过大反向电流流入内部 PMOS 体二极管。然而，ON Semiconductor 的产品行销工程师 Pawel Holeksa 指出，增大 COUT 并不能保证获得所需的性能。另外，较大的输出电容器和保护用外部二极管会增加该解决方案的成本和体积。

低噪声、高 PSRR

因此，为了克服常数偏置法的局限性，ON Semiconductor 开发出一种采用巧妙偏置方案的 LDO。通过改变接地电流或者 IQ 电流与输出电流的输出关系，全新 LDO 改善了常数偏置 LDO 相对较弱的动态性能。类似的两种产品为 NCP4681 和 NCP4624，其典型静态电流分别为 1 µA 和 2 µA。图 2 说明了这些超低 IQ LDO 采用的设计理念，其中 IGND 电流随着输出电流成比例增大。我们还可以看出，IGND 在 IOU 大于 2 mA 时开始增大。

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图 2：在 NCP4681 和 NCP4624 这两款超低 IQ LDO 中，接地电流 IGND 随着输出电流成比例增大。

相比常数 IGND LDO，NCP4681/NCP4624 稳压器的规格书表明，比例偏置法 LDO 显著提升了电源抑制比（PSRR）和负载瞬态性能。相比之下，NCP4681 在 100 Hz 和 IOUT = 30 mA 时把 PSRR 提升了大约 15 dB。根据产品规格书，在这种额定电流和频率以及 1.5 V 输出、2.5 V 输入电压下，额定 PSRR 为 53 dB，并且当输出电流降至 1 mA 时保持不变。虽然比例偏置技术相比常数 IGND LDO 能提升动态性能，但还不能充分满足一些要求苛刻的应用。

一些应用实际上要求超低 IQ LDO 具有更优的 PRSS 性能。因此，当选择超低 IQ LDO 稳压器时除了瞬态响应外，LDO 噪声和 PSRR 也是必须考虑的重要技术指标。为此，Texas Instruments 开发出 TPS727xx 系列超低 IQ LDO，该系列器件具有非常高的 PSRR、超低噪声和出色的瞬态响应性能。 TI 利用先进的 BiCMOS 工艺和 PMOS FET 无源器件实现了这一性能。例如该系列中的 250 mA TPS72718，当输出电压为 1.8 V、输入电压为 2.3 V 且输出电流为 2.3 mA 时，其 1 kHz 下的 IQ 为 7.9 µA、PSRR 为 70 dB（图 3）。在带宽为 100 Hz 至 100 kHz 以及类似输入和输出条件下，输出电压噪声仅 33.5 µVrms。

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图 3：超低 IQ LDO TPS72718 在输入与输出电压差为 0.5 V、输出电流为 10 mA 、1 kHz 频率时的 PSRR 大于 70 dB。

同样，为了在增强动态性能的同时仍保持超低 IQ，ON Semiconductor 也采用了一种称作自适应接地电流的新技术。采用这种技术的 LDO 能在一定输出电流水平下提升接地电流，而不会削弱动态性能。因此，在拥有出色的负载/线路瞬态和 PSRR 性能的同时，将输出噪声降至最低。这类器件正进行优化，以便能向要求长电池寿命、小型解决方案基底面环境中的敏感性模拟/射频电路供电。

总之，现代 LDO 结合了工艺技术和电路设计优势，在实现超低 IQ LDO 的同时，使其负载瞬态、PSRR 和输出噪声等动态参数保持高性能水平。

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