電子應用設計人員現今面臨的一項極重要挑戰是將電子系統能耗降至最低。為了達到此目的，大多數系統利用不同的低功率模式，幫助降低整體功耗。在利用不同工作模式時(shí)，系統供電電流差異極大，低者如休眠模式下僅為數微安(μA)或不足1微安，高者如完整功率模式下達數十毫安(mA)甚至數百毫安。低壓降線(xiàn)性穩壓器(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為L(cháng)DO)是任何電源系統的常見(jiàn)構建模塊，而線(xiàn)性穩壓器的選擇對系統總體能耗有重要影響。不僅如此，系統設計常常要求LDO不僅具有超低靜態(tài)電流特性，還應當提供良好的動(dòng)態(tài)性能，確保提供穩定及無(wú)噪聲的電壓輸入端，適合敏感電路應用。這些要求還常常相互排斥，為IC設計人員帶來(lái)切實(shí)的挑戰。因此，市場(chǎng)上同時(shí)滿(mǎn)足兩方面要求的LDO為數不多。

本文將探討在選擇LDO時(shí)需要在提供低IQ與良好動(dòng)態(tài)性能之間進(jìn)行的折衷，及現時(shí)一些能達至可接受的平衡的技巧。

選擇LDO時(shí)要顧及的因素

為低功率應用選擇線(xiàn)性穩壓器時(shí)，工程師主要搜尋符合他們輸入電壓及輸出電流規格的超低IQ(本文的定義是靜態(tài)電流IQ<15 μA) LDO。當根據IQ規格來(lái)進(jìn)行選擇可提供一些很好的LDO電流消耗相關(guān)的初始信息，但IQ相同或近似的兩款LDO在動(dòng)態(tài)性能方面可能差異很大。如果我們回想起來(lái)IQ的定義是沒(méi)有施加任何負載條件下的接地電流消耗，那么IQ就變成一個(gè)實(shí)際參數了。在實(shí)際案例中，可能更適宜于查看極輕載條件下的接地電流消耗(數微安至數百微安)。需要說(shuō)明的是，在評估不同制造商的各種LDO產(chǎn)品后，不難發(fā)現數據表中的IQ規格僅針對的是完美的空載條件，而非較真實(shí)的10至100 μA輸出負載。某些時(shí)候，知道與輸入電壓或溫度相關(guān)的接地電流特性也有實(shí)質(zhì)意義。市場(chǎng)上某些穩壓器在輸入電壓下降時(shí)接地電流明顯增大，LDO進(jìn)入其壓降區。在選擇用于電池供電設備的LDO時(shí)，這可能是重要因素。其它意料之外的電流消耗可能對產(chǎn)品有負責影響，大幅縮短電池使用時(shí)間。如果應用在大部分時(shí)間處于空閑或休眠狀態(tài)，僅消耗極小電流，這種意料之外的影響就尤為嚴重了。設計人員應常閱讀數據表的IQ規格，而且若有可能，在決定選擇某個(gè)特定LDO之前，還要審查相關(guān)的IQ與ILOAD對比圖表。

超低IQ LDO的動(dòng)態(tài)性能參數

影響超低IQ LDO穩壓器動(dòng)態(tài)性能參數主要有兩項因素。一是使用的技術(shù)節點(diǎn)。安森美半導體的大多數超低IQ LDO采用的是先進(jìn)的CMOS或BiCMOS技術(shù)，并提供針對低功耗、高速電源管理IC優(yōu)化的特定工藝流程。雖然恰當的技術(shù)選擇必不可少，但很明顯的是，這還不能確保LDO穩壓器具有良好的動(dòng)態(tài)性能。確定最終性能的第二個(gè)關(guān)鍵是設計LDO時(shí)應用的設計技術(shù)，而這來(lái)自于此領(lǐng)域的設計經(jīng)驗。安森美半導體在這個(gè)領(lǐng)域擁有40多年的經(jīng)驗，最新世代的器件同時(shí)提供超低噪聲、良好的電源抑制比(PSRR)及超低IQ。為了詳細闡明這一點(diǎn)，下文將探討不同類(lèi)型穩壓器的動(dòng)態(tài)性能。

圖1：MC78LC負載瞬態(tài)改善。不同類(lèi)型的超低IQ LDO簡(jiǎn)介

1) 恒定偏置LDO穩壓器

傳統上的超低IQ CMOS LDO使用恒定偏置(constant biasing)原理。這表示在能夠提供的輸出電流范圍內，接地電流消耗保持相對恒定。如MC78LC或NCP551器件，各自的接地電流IGND(或靜態(tài)電流IQ)分別為1.5 μA和4 μA。這些器件非常適合性能要求相對不那么嚴格的電池供電應用。它們的主要劣勢是動(dòng)態(tài)性能較差，如負載及線(xiàn)路瞬態(tài)、PSRR或輸出噪聲等。通�？梢允褂幂^大的輸出電容來(lái)調節動(dòng)態(tài)性能。圖1顯示了通過(guò)將輸出電容由1 μF增加至100 μF來(lái)改善MC78LC的負載瞬態(tài)過(guò)沖及欠沖。

但提升輸出電容COUT并不總是能夠提供想要的性能，甚至還可能更麻煩，因可能需要增加額外保護二極管，或某些應用要求快速設定時(shí)間、小尺寸方案或小浪涌電流。在這些情況下，推薦使用后文提到的一些更新的LDO。

2) 正比例偏置LDO穩壓器

為了改善恒定偏置(恒定IGND) LDO較弱的動(dòng)態(tài)性能，一些相對較新器件的接地電流與輸出電流成正比例地變化。這樣的LDO有如安森美半導體的NCP4681及NCP4624，兩者的典型靜態(tài)電流分別為1 μA和2 μA。圖2顯示了正比例IGND LDO所使用的概念。這些器件被設計為在輸出電流IOUT > 2 mA時(shí)IGND開(kāi)始上升。這就確保LDO在輕載時(shí)的電流消耗實(shí)際上恒定，符合數據表中的IQ規格。

圖2：NCP4681、NCP4624的IGND vs. IOUT

3) 自適應偏置LDO穩壓器

為了同時(shí)提供極佳的動(dòng)態(tài)參數及超低IQ，最新代的安森美半導體LDO應用了稱(chēng)作“自適應接地電流”的技術(shù)。這些穩壓器使用特殊技巧來(lái)在某種輸出電流電平提升接地電流，而不會(huì )損及輕載能效。正因為此，終端應用可以提供良好的負載/線(xiàn)路瞬態(tài)、PSRR及輸出噪聲性能的優(yōu)勢。帶自適應偏置技術(shù)的IC有如NCP4587/NCP4589及NCP702，IQ分別為1.5 μA和9 μA。NCP702還在噪聲方面進(jìn)行了額外優(yōu)化，100 Hz至100 kHz噪聲帶寬時(shí)的典型噪聲僅為11.5 μVRMS。它非常適合于為要求長(cháng)電池使用時(shí)間及小方案尺寸環(huán)境中的敏感模擬及射頻電路供電。

圖3：NCP702輸出噪聲密度。

三類(lèi)超低IQ LDO動(dòng)態(tài)性能比較

圖4顯示了上述三類(lèi)超低IQ LDO的接地電流與輸出電流對比圖。比較中使用的所有LDO都具有在1 μA至1.5 μA之間的極相近靜態(tài)電流規格。它們的接地電流與輸出電流的相關(guān)關(guān)系大為不同。因此，這些穩壓器的動(dòng)態(tài)性能也差異極大。NCP4587作為自適應偏置LDO，其負載瞬態(tài)性能優(yōu)勢很明顯。三款器件的瞬態(tài)幅度比較如圖5所示。

圖4：IGND vs. IOUT比較

圖5：負載瞬態(tài)比較

表1：超低IQ LDO負載瞬態(tài)幅度比較

AE引腳功能

另一值得提及可以用于改善超低IQ LDO動(dòng)態(tài)參數的特性通常稱(chēng)作Auto-ECO(AE)功能(見(jiàn)圖6)。將額外的AE引腳設為邏輯低電平時(shí)，用戶(hù)可以將LDO穩壓器配置為自適應接地電流超低IQ LDO。將AE引腳拉至高電平時(shí)，低輸出電流時(shí)的接地電流消耗上升至約40 μA，實(shí)質(zhì)提升從極輕載到高負載條件下的負載瞬態(tài)響應。在負載電流較大時(shí)，兩種工作模式下IGND大致相等，動(dòng)態(tài)性能基本沒(méi)有差別。圖7顯示了AE引腳狀態(tài)影響LDO穩壓器的接地電流消耗。

圖6：帶AE引腳的NCP4587/9 LDO電路圖。

圖7：帶AE引腳的NCP4587/9 LDO電流。

在系統周期性地從休眠模式進(jìn)入滿(mǎn)額功率模式的應用中，AE引腳非常有用。如果這兩種狀態(tài)之間的過(guò)渡極快，就會(huì )遭受大的欠沖。雖然NCP4587/9與其它LDO相比具有極佳的負載瞬態(tài)響應，通過(guò)將AE引腳與微控制器(MCU) I/O線(xiàn)路(舉例而言)連接并通過(guò)此I/O線(xiàn)路提前提示負載電流需求增加，就可以進(jìn)一步優(yōu)化欠沖。作為實(shí)際案例，許多GPS接收器芯片組配備了外部喚醒(WAKEUP)信號來(lái)提前提示GPS從休眠狀態(tài)轉換狀態(tài)。信號通常連接至外部有源天線(xiàn)電源，也可以與為GPS芯片組供電的穩壓器一起使用。通過(guò)這種方式，LDO穩壓器在GPS從休眠模式過(guò)渡到滿(mǎn)額功率模式之前就手動(dòng)地設定為較高的接地電流消耗模式，從而提升動(dòng)態(tài)性能。

靜態(tài)電流差異及其對電池使用時(shí)間的影響

下面將更密切地審視數據表中的靜態(tài)電流規格與實(shí)際測量結果的比較。在某些情況下，數據表中標明的數據可能會(huì )與實(shí)際測量值差異極大。我們將確定要查看的某些參數，從而避免電流消耗超出預計。

例如，我們可以考慮都帶有自適應接地電流配置的兩款極相似的LDO：典型IQ為10 μA的NCP702及典型IQ為11 μA的某LDO競爭器件。表2顯示了IOUT為0 μA時(shí)數據表靜態(tài)電流值及IOUT為10 μA和50 μA的實(shí)際接地電流消耗測量值。

表2：安森美半導體NCP702及LDO競爭測量值與數據表值比較

在NCP702的案例中，IOUT為10 μA時(shí)測得的IGND值與數據表中的IQ值極為接近。相比較而言，競爭器件在IOUT為10 μA時(shí)的實(shí)際IGND測量值要比數據表中的IQ值高出約49%。

靜態(tài)電流的差異對電池使用時(shí)間到底有多大的影響？這個(gè)問(wèn)題還不能簡(jiǎn)單而論，它跟LDO的具體終端應用有關(guān)。安森美半導體以使用LDO將電池電壓向下轉換并為負載提供電流的應用為例，基于NCP702和上述LDO競爭器件進(jìn)行了測試比較。結果顯示，在IOUT為40 μA的輕載條件下，NCP702節省能耗約20%。但較大負載時(shí)，由于LED接地電流相對于從電池吸收的輸出電流較小，就沒(méi)有明顯的節省能耗優(yōu)勢了。

負載電流變化對電池使用時(shí)間的影響

LDO輸出電流極少保持恒定，我們可以擴展研究范圍，考慮負載電流變化的情況。通常在這類(lèi)應用中，采用LDO穩壓器供電的電路會(huì )在休眠模式與工作模式之間轉換。例如，圖8顯示了占空比為10%的某應用的負載電流特性。負載在休眠模式下消耗40 μA電流，工作模式下電流消耗為100 mA。在輸出電流為40 μA時(shí)，NCP702將增加11.1 μA的接地電流，故總電池電流為51.1 μA。相同輸出電流時(shí)，LDO競爭器件增加的接地電流為21.4 μA，相應消耗的總電池電流為61.4 μA。兩者之間相差20.2%。這表示在休眠模式下NCL704能節省電池電量消耗。圖9顯示的則是NCP702在不同占空比時(shí)能夠節省的電池電量。

圖8：負載電流特性示例

圖9：不同占空比時(shí)節省的電池電量

LDO進(jìn)入壓降區時(shí)的接地電流

LDO另一項很重要但又常常被輕視的參數就是LDO在進(jìn)入壓降條件下的接地電流消耗。在鋰離子電池或鋰聚合物電池供電的產(chǎn)品中，常見(jiàn)使用LDO來(lái)高能效地對電源穩壓，產(chǎn)生3.3 V或3.1 V輸出電壓。然而，隨著(zhù)電池放電，電池電壓衰減，LDO的輸入電壓VIN可能接近輸出電壓VOUT，到達LDO穩壓器進(jìn)入壓降區的那個(gè)點(diǎn)。在這種情況下，市場(chǎng)上的大多數超低IQ LDO將開(kāi)始消耗明顯高得多的接地電流，超出數據表中標出的值。圖10所示的不同輸入電壓條件下的IGND關(guān)系圖可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖10：IGND vs. VIN示例

如圖10所示，在壓降區，LDO開(kāi)始消耗多達100 μA電流。為了在功率敏感型應用中解決這個(gè)問(wèn)題，建議增加帶可調節遲滯特性的極低功率監控器，用于在負載移除后恢復電池電壓。在某些遲滯特性不充足的情況下，帶閂鎖輸出的其它電壓檢測器可能更適合。但這將導致需要使用按鈕或來(lái)自電池充電控制器的信息來(lái)清除閂鎖。

安森美半導體最新世代的超低IQ LDO整合了集成壓降條件檢測器，可以防止低輸入電壓條件下接地電流上升。集成了這種理念的器件包括NCP702和NCP4681等。

小結：

傳統上，改善LDO穩壓器的電流消耗表示要損及動(dòng)態(tài)性能。新的工藝技術(shù)及設計技巧帶來(lái)像安森美半導體提供的系列超低靜態(tài)電流LDO穩壓器能夠更好地結合低靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)性能。本文指出了設計人員在選擇LDO時(shí)應該顧及的一些因素，包括密切注意LDO數據表，理解器件的具體工作特性，進(jìn)行根據應用的關(guān)鍵要求選擇適合的方案。

表3：安森美半導體超低IQ LDO穩壓器產(chǎn)品系列(*表示工作模式可藉AE引腳來(lái)選擇)