選擇手機使用的線(xiàn)性穩壓器

概述
 
　　今天，移動(dòng)設備已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的組成部分。它們?yōu)槲覀兲峁┝烁鞣N好處，如安全（保護汽車(chē)拋錨后駕駛員），娛樂(lè )（提供最新的比賽結果），便利（緊急聯(lián)絡(luò )和社交）。但就用戶(hù)的感受來(lái)說(shuō)，移動(dòng)設備本身并不具備高的價(jià)值。

　　今天，一旦客戶(hù)與運營(yíng)商簽好合同，大多數手機的出售價(jià)格都很低?？蛻?hù)的成本是合同持續的時(shí)間，而不是手機本身。所以客戶(hù)把手機本身看作一種可以?huà)仐壍臇|西，可以換成最新機型、顏色和應用。但這種認識略有不妥，因為手機是花費數百萬(wàn)人的多年努力才推向市場(chǎng)的一種工程成就。

　　某種意義上，我們可以將線(xiàn)性穩壓器作相似的類(lèi)比，但這是對手機的設計工程師而言。高性能的線(xiàn)性穩壓器中結合了優(yōu)秀的 IC 設計、封裝和制造，能為下一代手機設計提供先進(jìn)而必要的性能。

　　線(xiàn)性穩壓器在手機系統中常被當作是“創(chuàng )可貼”式的東西，經(jīng)常在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最后階段才作出選擇。設計工程師更關(guān)注如何使復雜的 BB 或 RF ASIC 工作，而不是要選擇哪種功率/性能的線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器經(jīng)常要靠廣告彩頁(yè)的規格宣傳才能賣(mài)出，而不是靠數據單內頁(yè)的核心特性。

　　規格也經(jīng)常會(huì )產(chǎn)生誤導作用，在數據單首頁(yè)大肆宣傳的都是主要參數，但這種方式可能會(huì )讓人誤解，并且這些參數不與其它參數相聯(lián)系就沒(méi)有價(jià)值。特別是靜態(tài)電流。這種情況的出現是由于線(xiàn)性穩壓器市場(chǎng)競爭的結果，因為廠(chǎng)家意識到工程師們的時(shí)間都很緊張，所以紛紛設法讓他們能多看一眼自己的器件。

　　此外，沒(méi)有一種表述信息的標準。不同的級別、溫度和負載信息只會(huì )使設計工程師更加困惑。

線(xiàn)性穩壓器的分類(lèi)和與電池技術(shù)的關(guān)系
 
線(xiàn)性穩壓器可以歸為三組類(lèi)型：

　　通用、數字和模擬。根據不同應用的性質(zhì)，所用線(xiàn)性穩壓器的特性也要隨之變化。線(xiàn)性穩壓器在參數方面要不斷地進(jìn)行折衷。我們確定器件類(lèi)型的方式取決于應用設計中的最重要的規格。

　　由于鋰電池的有更高的單位重量能量，并且沒(méi)有鎳鎘電池的記憶效應，便攜設備的供電已經(jīng)進(jìn)入鋰電池時(shí)代。鎳鎘電池仍會(huì )在便攜設備中繼續存在下去，但只在需要大電流負荷的應用中，如電動(dòng)工具等。因為鎳鎘電池內阻較低。

　　鋰電池是手機中使用的電池技術(shù)。并且這種技術(shù)的發(fā)展速度并沒(méi)有與整流電池的半導體業(yè)的發(fā)展同步。唯一的重大進(jìn)展是鋰聚合物電池的出現，它可以裝到移動(dòng)設備的小型外殼中。唯一可望實(shí)現的替代品是 Power cell，但近期看來(lái)不會(huì )有所作為，特別是這種電池的副產(chǎn)物是水，這在任何電子產(chǎn)品中都是不受歡迎的。由于對移動(dòng)設備等待時(shí)間和通話(huà)時(shí)間的不斷延長(cháng)，當前的趨勢是不間斷地（也許不太公平）推動(dòng)半導體技術(shù)與體系結構的發(fā)展，以滿(mǎn)足不斷增加的產(chǎn)品需求。并且由于移動(dòng)設備不僅需要考慮通話(huà)時(shí)間和等待時(shí)間，還需要考慮游戲時(shí)間，于是更加強了這一趨勢。隨著(zhù)多媒體和互聯(lián)網(wǎng)功能成為流行時(shí)尚，線(xiàn)性穩壓器需要越來(lái)越低的靜態(tài)電流，從而使 IC 工程師作出更多的設計折衷。今后成功的產(chǎn)品組合都要具備多種因素，如管理、開(kāi)發(fā)體系結構甚至改善這些折衷的能力。當定義線(xiàn)性穩壓器的性能時(shí)，這種更低的靜態(tài)電流需求正在改變著(zhù)所有線(xiàn)性穩壓器的特性。

線(xiàn)性穩壓器揭秘

　　自從早期的齊納二極管以來(lái)，線(xiàn)性穩壓器走過(guò)了漫長(cháng)的道路?，F代的線(xiàn)性穩壓器采用了許多巧妙的體系結構來(lái)應對挑戰性的需求?；旧?，一個(gè)線(xiàn)性穩壓器就是一個(gè)運算放大器和一個(gè)傳輸晶體管。運算放大器使用兩個(gè)基準點(diǎn)。它們是內部帶隙基準，和輸出端的一個(gè)電阻分壓器。在穩壓過(guò)程中，電阻分壓網(wǎng)的電壓值被反饋給運算放大器，并與帶隙基準進(jìn)行比較。傳輸晶體管根據比較結果決定導通的時(shí)間。這是一個(gè)基于兩個(gè)主要極點(diǎn)的閉環(huán)系統，即誤差放大器/傳輸晶體管的內極點(diǎn)，以及輸出電流要求與輸出電容 ESR 的外部極點(diǎn)。對兩個(gè)主要極點(diǎn)的處理會(huì )影響器件的性能，也是回路穩定性的主要因素。

進(jìn)一步理解線(xiàn)性穩壓器的分類(lèi)
 
　　對線(xiàn)性穩壓器有一個(gè)穩定不變的需求，那就是越來(lái)越高的效率。用另一種指標說(shuō)就是減小靜態(tài)電流和正向壓降。正如生活中沒(méi)有免費的午餐一樣，當我們提高線(xiàn)性穩壓器的某一個(gè)參數值時(shí)，它不可避免會(huì )影響到其它的特性。

　　通用線(xiàn)性穩壓器的設計是要提供最好的整體性能。各種特性的權重基本是相當的。成本和市場(chǎng)接受程度決定了所選擇的封裝類(lèi)型。

　　數字線(xiàn)性穩壓器設計用于支持各種主要的移動(dòng)設備數字核心部分?，F代 DSP 和微控制器必須工作在高效狀態(tài)下，還經(jīng)常有大電流需求。尤其是隨著(zhù)移動(dòng)設備的應用不斷增加及從基本的調制解調器向豐富的多媒體擴展和轉移，更進(jìn)一步推動(dòng)了當前的需求。我們不再需要考慮用戶(hù)通話(huà)和等待時(shí)間，而是要考慮玩的時(shí)間（游戲/互聯(lián)網(wǎng)）。新興的 CDMA 手機需要大量的糾錯和濾波功能。所有這些都給數字處理核心的軟件裝載施加了極大的壓力。這些都體現了對電源管理器件的需求。這些特性逐步成為對數字負載重要的特性。它們是線(xiàn)路與負載調整/瞬態(tài)特性。應該說(shuō)，這不是僅有特性，而是許多重要特性中的兩個(gè)。產(chǎn)品數據表的首頁(yè)經(jīng)常不列出這些參數。它們一般用兩種方式表述，V/I 偏差的百分數值或 V/I 實(shí)際值。這些值都應該參考到負載電流或輸入電壓的變動(dòng)。

　　由于移動(dòng)設備的性質(zhì)，會(huì )有很長(cháng)的時(shí)間不需要使用核心部分。如果沒(méi)有通話(huà)、搜索基站或使用多媒體功能，則電源管理設備進(jìn)入休眠狀態(tài)。數字線(xiàn)性穩壓器設計為隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)只吸入很少電流，但當需要時(shí)可快速起動(dòng)。在休眠模式期間，線(xiàn)性穩壓器的所有主要功能都被關(guān)斷，包括帶隙功能。及時(shí)快速起動(dòng)而不引起過(guò)沖的特性非常關(guān)鍵。過(guò)沖以及線(xiàn)性穩壓器處理過(guò)沖的能力是與靜態(tài)電流相聯(lián)系的。在靜態(tài)電流減少時(shí)，要保持或提高這一特性就是一種艱巨的工作。

　　數字電路要求快速響應，同時(shí)仍要求相對于線(xiàn)路與負載瞬變的干擾要小。此時(shí)需要的是快速驅動(dòng)內部電容結的能力，以及完成這一工作的有效電流。當進(jìn)一步降低有效驅動(dòng)電流時(shí)，線(xiàn)性穩壓器的反應能力就會(huì )下降。

　　假定設計了一個(gè)足夠快的電路，其中存在過(guò)沖。有一種解決方式是用電容來(lái)抑制過(guò)沖。但結果是電容負載增加，靜態(tài)電流增大。

　　模擬線(xiàn)性穩壓器主要用于驅動(dòng)空氣接口(air interface)?？諝饨涌谑潜銛y通信中的薄弱之處。其信號對噪聲和衰減均高度敏感。因此，當考慮使用一個(gè)模擬線(xiàn)性穩壓器時(shí)，重要的是器件本身不會(huì )進(jìn)一步引入噪聲，并能抑制其它噪聲源。模擬線(xiàn)性穩壓器的主要品質(zhì)因數是噪聲（以 Vrms 度量）和抑制（電源抑制比 PSRR，單位為 dB）。帶隙基準與傳輸晶體管是噪聲的主要來(lái)源。增加一個(gè)外接旁路電容可以降低這種噪聲，但這也增加了成本和體積。領(lǐng)先的半導體廠(chǎng)家如美國國家半導體公司采用另一種辦法，即在硅片內增加內置電容。晶體管級的噪聲實(shí)際上由兩個(gè)因素組成，熱噪聲和閃爍噪聲。電子互相碰撞以及在 Si02 級被捕獲是兩種噪聲產(chǎn)生的原因。PSRR 是器件抑制有害噪聲的能力，這些噪聲由其它穩壓元件或噪聲源產(chǎn)生。這在模擬環(huán)境中特別重要，因為一般來(lái)說(shuō)，模擬器件比數字器件對噪聲更敏感。

　　噪聲本身對地電流有直接的相關(guān)性，因為它是晶體管驅動(dòng)的一個(gè)系數。MOSFET 中的驅動(dòng)電流越低，則閃爍噪聲和熱噪聲指標就越差，較低的驅動(dòng)電流意味著(zhù)較低的靜態(tài)電流。

　　現代線(xiàn)性穩壓器的設計工程師要面臨多種折衷的抉擇，但不會(huì )都取最壞情況。用已有的技術(shù)可以設計出更智能的器件，以補償不規律和難以預期的系統需求。美國國家半導體公司發(fā)明了一些測量輸出、輸入電流/電壓，以及提高器件穩定性水平的方法，同時(shí)減小了地電流和正向壓降。通過(guò)在硅片中使用 MOSFET 的電容效應以及其它技術(shù)，可以實(shí)現原外置功能的集成化，如旁路電容和輸入、輸出電容等。因而在保持或增強性能的同時(shí)進(jìn)一步減少了整機材料成本和外形尺寸。

線(xiàn)性穩壓器的未來(lái)
 
　　大多數現代移動(dòng)通信設備都被迫實(shí)現各個(gè)外接元件的集成化。有一種看法是，分立的線(xiàn)性穩壓器將被用作 PMU（電源管理單元）。今天的電源管理單元使用了許多傳統的線(xiàn)性穩壓器。為了對外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化，電源管理單元經(jīng)常是專(zhuān)為客戶(hù)定制開(kāi)發(fā)的混合信號 ASIC。

　　手機功能基本上分為兩個(gè)部分：調制解調器核心和多媒體/用戶(hù)體驗核心。調制解調器核心將繼續集成化，并成為可用于所有未來(lái)開(kāi)發(fā)的固定平臺。PMU ASIC 將成為解決方案的一個(gè)組成部分。但 PMU 自身有功能弱點(diǎn)。假如由于某種原因要改變功能，則需要對整個(gè)器件進(jìn)行一次再制循環(huán)(respin)。這會(huì )造成昂貴的費用，還影響到產(chǎn)品上市時(shí)間。耽誤的上市時(shí)間也可以看作金錢(qián)的損失，而不是開(kāi)支。即使采用固定的核心也會(huì )有靈活性的需求，因此，在集成所有電源管理功能時(shí)要特別小心。將某些線(xiàn)性穩壓器做成外接式可以增加這種靈活性。另外，單一內核中多器件的驅動(dòng)電流存在一系列復雜問(wèn)題，其中之一就是散熱問(wèn)題。多媒體核心/用戶(hù)體驗核心將成為下一代移動(dòng)設備的主要需求。電流需求在不斷增長(cháng)，但仍需遵守物理定律。這些散熱要求也會(huì )推動(dòng)下一代電源管理分區的發(fā)展。

　　有跡象表明，未來(lái)的許多電源管理功能都將圍繞直流－直流降壓穩壓器來(lái)設計，后調節的線(xiàn)性穩壓器可以提供這種支持。由于輸入電壓快速接近 1V，意味著(zhù)要開(kāi)發(fā)出更低輸入電壓的線(xiàn)性穩壓器。另外，隨著(zhù)工藝技術(shù)按照莫爾定律的發(fā)展，未來(lái)數字核心的電壓將低于 1V，輸出電壓也在持續降低。輸出電壓的下降帶動(dòng)了線(xiàn)性穩壓器的開(kāi)發(fā)，為線(xiàn)性穩壓器在便攜式器材中的應用帶來(lái)新的市場(chǎng)。這樣的線(xiàn)性穩壓可以直接用于單 1.2V 電池。

　　不再需要分立的線(xiàn)性穩壓器，而是被集成到硅片中，這種情況只是今天的系統需求，而不是未來(lái)的市場(chǎng)需求。隨著(zhù)封裝、工藝與系統進(jìn)一步推動(dòng)電源管理器件的性能與需求，電源管理器件的作用和表現也將發(fā)生變化，以應對挑戰。手機設計者將根據多種品質(zhì)因數、應用范圍和使用方便性來(lái)選擇產(chǎn)品。美國國家半導體早已開(kāi)始研究這些變化的系統需求，并正在開(kāi)發(fā)新的體系結構、工藝與封裝，維持著(zhù)在市場(chǎng)上的重要領(lǐng)導地位。

 
如欲進(jìn)一步查詢(xún)有關(guān)美國國家半導體電源產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/網(wǎng)頁(yè)。