超低靜態(tài)電流LDO穩壓器最佳選型詳解（一）

　　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。