為高性能系統挑選合適的低壓降穩壓器的考量

大部分系統設計工程師可能都會(huì )同意線(xiàn)性穩壓器是眾多穩壓器之中最容易使用的一種，而且由于這個(gè)原因，也最受系統設計工程師歡迎。但新一代的系統要求極為嚴格，因此只采用線(xiàn)性穩壓技術(shù)的高性能系統會(huì )受到較多的制約，以致很難充分發(fā)揮其性能。這個(gè)發(fā)展趨勢帶出以下幾個(gè)問(wèn)題：系統設計工程師構思新產(chǎn)品時(shí)可以獲得哪一方面的技術(shù)支持？采用線(xiàn)性穩壓技術(shù)的直流/直流功率轉換系統有什么優(yōu)缺點(diǎn)？是否比采用其他線(xiàn)路布局的功率轉換系統優(yōu)勝？技術(shù)上又有什么局限？若以同一應用作比較，哪一類(lèi)的低壓降穩壓器有較高的效率？不同廠(chǎng)商的線(xiàn)性穩壓器是否有高下優(yōu)劣之別？

　　看起來(lái)這些問(wèn)題好像非常簡(jiǎn)單，其實(shí)問(wèn)題的答案比我們想象復雜，因為需要考慮的重要因素及技術(shù)參數非常多，加上有關(guān)因素的重要性經(jīng)常被人忽略，因此系統設計工程師做出取舍時(shí)必須小心謹慎。由于新產(chǎn)品的供電要求越趨嚴格，電路板的面積也不斷縮小，加上系統必須保證能發(fā)揮最基本的性能，因此我們必須為新產(chǎn)品挑選合適的低壓降穩壓器。好的低壓降穩壓器可以解決很多應用上的問(wèn)題；若穩壓器的選擇不當，整個(gè)設計根本就無(wú)法落實(shí)執行。

　　散熱、效率及封裝

　　線(xiàn)性穩壓器的輸入功率并非完全能從輸出端口輸出，兩者

　　的相差都會(huì )轉為熱能耗散掉。功率耗散 （Pd） 可以根據以下的公式粗略估算：

　　Pd = （Vin – Vout） * Iout

　　若要更精確計算功率耗散，我們必須將 Vin * Iq 這個(gè)變項計算在內。功率耗散總額可以根據以下公式計算出來(lái)：

　　Pd = （Vin – Vout） * Iout + Vin * Iq

　　若按照上述兩條公式，再將 5 伏 （V） 電壓調低至 1.5 伏 （靜態(tài)電流為 300mA），那么線(xiàn)性穩壓器耗散為熱能的功率不會(huì )少于：

　?。? – 1.5） * 0.35 = 1.225W

　　究竟這個(gè)功耗量應視為高還是低呢？有關(guān)這個(gè)問(wèn)題我們不可過(guò)早做出判斷，我們必須根據芯片封裝以及電路板的類(lèi)型與面積 （若采用表面貼裝封裝），找出這些變項與溫度上升幅度之間的函數關(guān)系，從而計算 1.225W 的功率耗散究竟會(huì )令溫度上升多少。這樣我們才可作出一個(gè)較為全面的判斷，確定 1.225W 的功率耗散是高還是低。系統設計工程師一般都喜歡采用最小巧的封裝，但這類(lèi)封裝的熱阻值非常高，因此散熱能力也最差。

　　標準 SOT-23 及 SC-70 等小巧封裝的 qJA 值介于 200度/W 與 400度/W 之間。體積不大不小的 SOT-223、TO-252 （DPAK） 及其它無(wú)掩蔽焊球 SMD 封裝 （包括 PSOP 及 ETSSOP） 的 qJA 值則介于 50度/W 與 90度/W 之間。一般來(lái)說(shuō)，只有較大的封裝 （例如 TO-220 及 TO-263） 才有較理想的 qJA 值，其數值介于 40度/W 與 60度/W 之間。大致上，這是封裝大小與溫度上升幅度之間的變化規律，適用于除 LLP之外的所有封裝。由于 LLP封裝的內部結構較為特別，例如晶片以面向上、底朝下的方式置于金屬面，而金屬面則設于封裝底部，并無(wú)任何掩蔽，因此這種超小型封裝的熱阻極低，甚至可媲美較大的封裝，是目前唯一一種熱阻值這樣低的超小型封裝。

　　上述數字對系統溫度有什么影響？若功率耗散為 Pd = 1.225W，理論上 2.85mm x 3mm 的 SOT-23 封裝的溫度至少會(huì )上升 300度。6.6mm x 9.7mm 的 DPAK 封裝的受熱溫度會(huì )比環(huán)境溫度高 80度，只有 10.4mm x 14.35mm 的 TO-263 封裝或 2.9mm x 3.3mm 的 LLP 封裝才有較小的溫度升幅 （50度）。系統設計工程師若懂得如何選擇合適的線(xiàn)性穩壓器封裝，便可大致知道是否需要改用開(kāi)關(guān)穩壓器。

　　靜態(tài)電流 （Iq） 及互補金屬氧化半導體 （CMOS） 低壓降穩壓器

　　靜態(tài)電流 （Iq） 也稱(chēng)為操作電流或接地電流，是設計低功率、低操作電流及以電池供電的電子產(chǎn)品時(shí)需要考慮的其中一個(gè)重要因素。每當我們談及 1A、2A 或 3A 恒流負載時(shí)，我們會(huì )否忽略靜態(tài)電流所發(fā)揮的重要作用？系統設計工程師很多時(shí)都忽略這個(gè)問(wèn)題 – 其實(shí)無(wú)視靜態(tài)電流的重要性可能要付出很大的代價(jià)。系統的靜態(tài)電流可能會(huì )隨著(zhù)負載電流的增加而大幅上升，確實(shí)升幅取決于低壓降穩壓器所采用的工藝技術(shù)。以雙極低壓降穩壓器為例來(lái)說(shuō)，3A 負載電流的靜態(tài)電流可能超過(guò) 200mA。此外，CMOS 低壓降穩壓器的靜態(tài)電流極低，而且不受負載大小影響，若滿(mǎn)載電流為 3A，靜態(tài)電流一般只有 3mA 至 15mA；若負載電流為 1A/2A，靜態(tài)電流則介于 100A 與 6mA 之間。（參看圖 1 所載有關(guān)供電電流與負載電流的函數關(guān)系圖，圖中比較的兩款 150mA 低壓降穩壓器分別采用 CMOS 及雙極工藝技術(shù)制造。）　　若輸出電流為 3A，靜態(tài)電流是 200mA 還是 6mA 的問(wèn)題究竟是否這樣重要？正如上文所說(shuō)，功率耗散總額是判斷低壓降穩壓器解決方案實(shí)際可行與否的決定性指標，雖然在計算功率耗散的公式之中，第一個(gè)變項會(huì )隨著(zhù)不同的應用而改變 （亦即這個(gè)變項取決于輸入電壓與輸出電壓），但第二個(gè)變項則完全取決于靜態(tài)電流的大小，而且可能是左右功率耗散實(shí)際大小的一個(gè)重要因素。以 3.3 伏的輸入電壓為例來(lái)說(shuō)，200mA 的靜態(tài)電流會(huì )將功率耗散提高 660mW，以如此高的功率耗散來(lái)說(shuō)，有關(guān)的設計可能需要改用開(kāi)關(guān)穩壓器。若靜態(tài)電流低至只有 6mA，功率耗散則只會(huì )增加約 20mW，這個(gè)增幅可說(shuō)微不足道，因此功率耗散總額幾乎不受任何影響。以如此低的靜態(tài)電流來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器仍可發(fā)揮其作用，因此只要靜態(tài)電流夠低，系統設計工程師仍然可以選用 CMOS 線(xiàn)性穩壓器。

　　在決定選用哪一個(gè)靜態(tài)電流數值之前，最好先查閱數據表內頁(yè)所載的滿(mǎn)載數值。目前業(yè)者都喜歡將最低或無(wú)負載的靜態(tài)電流數值列于數據表內最頂的一欄，工程師很多時(shí)以為這是滿(mǎn)載數值，很易被這欄數字誤導。

　　壓降及低輸入電壓的低壓降穩壓器

　　低壓降穩壓器的壓降是否真的很低？我們應再三思考這個(gè)問(wèn)題。產(chǎn)品規格書(shū)上雖然標明所需壓降為 100mV，但這個(gè)數值只適用于某些應用情況，例如，輸入電壓若比穩壓器芯片的最低輸入電壓大，壓降便可能只有 100mV，但系統若需要 1.2 伏或更低的輸出電壓 （目前許多應用都必須采用這樣低的輸出電壓），而穩壓器需要不少于 2.5 伏的輸入電壓操作，例如輸入電壓介于 2.5 伏與 5.5 伏之間的典型穩壓器便需要 2.5 伏以上的輸入電壓，在這個(gè)情況下，真正壓降是：

　　2.5V - 1.2V = 1.3V

　　理論上，上述系統應該可以執行正常功能，但耗散為熱能的功率會(huì )占很大的比重。

　　若系統的輸入電壓可改為 1.5 伏或 1.8 伏，當使用表明100mV壓降的低壓降穩壓器可大幅提升效率，以及降低溫度上升幅度和耗散的熱量。以 2.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩壓器為例來(lái)說(shuō)，若采用 500mA 的負載：

　　功率耗散 = （2.5 - 1.2） * 0.5 = 0.65W

　　但同樣的系統若改用 1.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩壓器：

　　功率耗散 = （1.5 - 1.2） * 0.5 = 0.15W

　　兩者的功率耗散相差 500mW，這個(gè)數值可不小，難道我們可以置之不理嗎？

　　圖 1：不同的低壓降穩壓器在滿(mǎn)載電流范圍內的供電電流 （Iq） 比較，比較的兩款大致相同的 150mA 低壓降穩壓器分別采用 CMOS 及雙極工藝技術(shù)制造

　　總結

　　由于新一代電子系統要求非常嚴格，因此利用低壓降芯片設計高性能的解決方案并非像以往那么簡(jiǎn)單容易。但系統設計工程師只要懂得挑選合適的穩壓器，并充分利用許多常常被忽略的參數，或充分利用只有新一代低壓降穩壓器才有的功能，便可采用極具成本效益而又容易設計的線(xiàn)性穩壓結構，以便充分利用這種結構的全新功能及特色如先進(jìn)而散熱能力更強的超小型封裝、低靜態(tài)電流 （無(wú)論負載電流的高低）、超低輸入電壓、以及先進(jìn)的 CMOS 低壓降穩壓器工藝技術(shù)。