关键字 |
| 低掉落率，钽，耐静电 |
介绍 |
| 业界正在推动包括电源管理在内的完整的片上系统(SOC)设计解决方案。电源管理技术的研究在过去几年中急剧增加，对应于便携式，手持电池操作设备[1]的使用的大量增加。我们周围的世界正在走向移动化。从众多的无线通信设备到笔记本电脑、医疗监控设备等等，似乎一种新的电子设备正在进入我们的日常生活。这种便携式和电池供电的设备正变得越来越复杂，具有多种功能，这些设备的制造商严重依赖于更小和更低成本的集成电路，没有任何性能上的妥协。更长的电池寿命，或更长的充电间隔时间，已成为这类设备的差异化特征。在几乎所有电子设备中使用的主要集成电路功能之一是稳压器。电源管理旨在提高设备的电源效率，从而延长电池寿命和设备的运行时间。电源管理系统包含几个子系统，包括线性稳压器、开关稳压器和控制逻辑。控制逻辑改变每个子系统的属性; turning the outputs on and off as well as changing the output voltage levels, to optimize the power consumption of the device. |
| 现在，LDO稳压器是电源管理系统的重要组成部分，提供恒压供电轨道。它们属于一类线性电压调节器，具有更高的功率效率。LDO稳压器与传统线性稳压器相比具有几个固有的优势，使它们更适合于片上电源管理系统[2]。 |
2电压调整器 |
| 电压调节器是用来自动维持恒定电压水平的电子调节器。它可以使用机电机构或无源或有源电子元件。根据设计的不同，它可以用来调节一个或多个交流或直流电压。除分流稳压器外，所有现代电子稳压器都是通过将实际输出电压与内部固定参考电压进行比较来工作的。任何差异都被放大并用于控制调节元件。这就形成了一个负反馈的伺服控制回路。如果输出电压过低，调节元件被命令产生一个更高的电压。对于某些稳压器，如果输出电压过高，则命令调节元件产生较低的电压;然而，许多只是停止源电流，并依赖于它所驱动的电流拉低电压。这样，输出电压大致保持不变。 The control loop must be carefully designed to produce the desired trade off between stability and speed of response.The key benefits of regulator include: |
| 1.电源电压准确 |
| 2.有源噪声滤波 |
| 3.过电流故障保护 |
| 4.级间分离 |
| 5.从单一电源产生多个输出电压 |
| 6.在恒流电源中使用 |
3积极的监管机构 |
| 因为他们(本质上)转储多余的电流不需要的负载，分流稳压器是低效的，只用于低功率负载。当需要提供更多的电力时，就使用更复杂的电路。一般来说，这些可以分为几类，如线性调节器，开关调节器，可控硅调节器 |
A.线性稳压器 |
| 线性稳压器是基于在其线性区域内工作的设备(相反，开关稳压器是基于被迫充当开/关开关的设备)。在过去，通常使用一个或多个真空管作为可变电阻。现代设计则使用一个或多个晶体管。线性设计具有非常“干净”输出的优点，其直流输出[3]中引入的噪声很小。整个线性稳压器可作为集成电路。这些芯片有固定电压和可调电压两种类型。 |
B.Switching调节器 |
| 开关调节器能快速开关串联设备的开关。开关的占空比设定了有多少电荷转移到负载上。这是由一个类似于线性调节器的反馈机制控制的。由于串联元件要么完全导电，要么关闭，它几乎不耗电;这就是开关设计的效率所在。开关稳压器也能够产生输出电压高于输入，或相反的极性-这在线性设计中是不可能的。像线性稳压器，几乎完全开关稳压器也可作为集成电路。与线性稳压器不同，这些稳压器通常需要一个外部组件:作为能量存储元件的电感器。(相对于几乎所有其他类型的组件，大值电感器往往在物理上都很大，因此它们很少在集成电路和IC稳压器中制造，只有一些例外。) |
c .线性稳压器和开关稳压器的比较 |
| 当需要低输出噪声时，线性稳压器是最好的。(1)当需要快速响应输入和输出扰动时，线性稳压器是最好的。(2)当电源效率至关重要时(如便携式计算机)，开关稳压器是最好的。(3)当唯一电源为直流电压时，需要开关稳压器，并且需要更高的输出电压。在很多情况下，任何一种都是可行的。所以选择的关键在于哪个成本更低。在高功率(几瓦以上)时，开关稳压器更便宜。在低功率时，线性稳压器更便宜。 |
Iv. ldo调压器 |
| 低压降稳压器，更好地称为LDO，是一种特殊类型的稳压器，其中输入-输出电压之间的最小所需电压(降压)明显小于以前的部件。LDO的电压降越低，电池寿命就越长，因为电池可以一直放电到所需输出电压的几百毫伏。与其他类型的稳压器相比，LDO易于使用，占地面积小，系统成本低，使其成为便携式电子产品设计人员的首选。许多电池供电的产品使用多个ldo为数字和模拟电路供电。例如，在典型的蜂窝电话中使用4到10个独立的ldo。ldo需求的爆炸式增长吸引了许多IC制造商进入市场。第一批上市的ldo是使用双极技术制造的。这些设备过去和现在都有许多有用的功能。它们体积小，输出噪声低，输出电压精确，非常适合电池供电的应用。然而，与互补金属氧化物半导体(CMOS)处理器件等新技术相比，双极LDO产品具有较高的降压和表现出过高的地电流的缺点。 Today, CMOS technologies have been developed so that this small geometry process can be designed to meet most of the bipolar LDOs' features. But beyond the added benefit of consuming less silicon real estate, the CMOS LDOs have lower dropout voltages and they have dramatically reduced the problem of excessive ground currents with changing output loads or input voltages. |
五、常规串联ldo稳压器的结构 |
| LDO电压稳压器由参考及关联启动电路、保护电路及关联电流传感元件、误差放大器、传递元件和反馈网络组成，如图1所示。 |
| 参考电压提供稳定的直流偏置电压和有限的电流驱动能力。这通常是齐纳二极管或带隙参考。齐纳二极管应用于对温度变化要求较低的高压电路中。另一方面，带隙更适合于低电压和高精度应用。误差放大器、传递元件和反馈网络构成了调节回路。参考电压和放大器输入偏置电压的温度依赖性决定了调节器的总体温度系数。因此，低漂移参考和低输入偏置电压放大器是首选。LDO稳压器可以在低压应用中工作，而不需要电荷泵，但它们本身不稳定。 |
| 大输出电容和高输出阻抗形成了优势极P1，如图2所示。然而，这个主导极位于误差放大器输出极P2附近。因此，LDO调节器的稳定性无法保证，很可能是不稳定的。LDO调节器必须在内部或外部补偿以保证稳定性。 |
| 典型的LDO稳压器使用输出电容器的静电电阻(ESR)来达到稳定。ESR创建了一个零，当放置在P2附近时，可以添加必要的相位来保持稳定。图3显示了电容ESR的使用情况。ESR还产生了一个极点P3。稳压器的稳定性很大程度上取决于ESR的值。随着ESR的减小，Z1的位置向右移动，因此对相位裕度没有影响。在另一个极端，当ESR显著增加时，相关极点P3移动到增益带宽以下，LDO调节器变得不稳定。给定LDO调节器必须给定稳定电容ESR范围;否则LDO调节器将不稳定。 |
六、输出电容 |
| 所有的ldo都需要一个稳定的输出电容。ldo设计的技术和拓扑结构的改进使一些制造商能够提供输出电容值相对较小的ldo，最流行的ldo通常在0.47 μF-10 μF之间。许多制造商声称稳定的运行与低价值的输出电容器在他们的数据表的前面。然而，通过调查用于保证产品电气规格的测试条件，可以发现所需的实际输出电容值。除了输出电容的值外，电容的寄生“等效串联电阻”(ESR)也起着重要的作用。大多数ldo严重依赖于ESR值的稳定性。这种ldo的基本问题是，ESR作为寄生项，不能很好地控制，电容制造商也不能保证，特别是在低温下。因此，这样的LDO制造商被迫小心地限制电容器ESR到某些典型的区域。对ESR有强烈依赖的LDO制造商提供了这样的典型图表，以帮助LDO用户选择将ESR限制在稳定区域的输出电容器。固体钽电解、铝电解和多层陶瓷电容器都是合适的，只要它们满足ESR要求。 Capacitors of aluminum and tantalum electrolytic are recommended [4]. Because the ceramic capacitors ESR is lower and its electrical characteristics vary widely over temperature.LDO user is limited to bulky and expensive tantalum types that are undesirable for space-restricted handheld devices. In addition, some of the newer LDOs claim stability with low-value MLCC-type capacitors. LDO does not create ripple noise by itself, unless the input polarity is influenced by external ripple noise. The output capacitor should be selected within the ESR range (shown as figure below). Without an output capacitor (high ESR), LDO will oscillate as temperature increasing [5, 6]. |
| 实例AIC1730-33应用于150mA负载电流。如图5所示，1uF陶瓷输出电容(ESR=100mΩ)振荡异常，1uF电电容(ESR=500mΩ)输出电压正常，如图6所示。 |
7钽电容 |
| 电解电容器是，其中阳极是钽的形式;例如固体钽、钽箔电解电容器和钽段塞电解电容器。固体钽电容器通常应用于交流分量比直流分量小的电路中。钽电容器的一般性能特点是:- |
| A)储存条件:电容器可以在每个系列目录中规定的工作温度范围内，在没有施加电压的情况下储存。所有系列的范围从-55到+125°C。钽电容器不会因“变形”效应而损失电容 |
| B)极性:这些电容器本质上是极性器件，如果连接到错误的极性，可能会永久损坏或损坏 |
8结论 |
| 传统的LDO稳压器需要一个相对较大的输出电容在单微法拉范围内。目前的设计技术无法实现大型微法拉电容器，因此每个LDO调节器需要一个外部引脚用于板装输出电容器。现在，经过一天的研究，研究人员建议去掉大的外部电容器，从而消除对外部引脚的需求。去掉大输出电容还减少了电路板的占地面积和设计的总体成本，使其适用于SOC应用。LDO稳压器必须给定稳定电容ESR范围;否则LDO调节器将不稳定。 |
数字一览 |
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参考文献 |
- G. Patounakis, Y. W. Li和K. Shepard，“完全集成的片上DC-DC转换和电源管理系统”，IEEE固态电路杂志，第39卷，no. 1。3，页443-451,2004年3月。
- G. A.林康-莫拉和P.E.艾伦，“低电压、低静态电流、低退出稳压器”，IEEE J.固态电路，第33卷，no. 1。1，第36-44页，1998年1月。
- Robert John Milliken，“一种具有快速瞬态响应的无电容低压稳压器”，M。论文，美国德州农工大学，第82-90页，2005年12月。
- B.S. Lee，“理解LDO调节器等效串联电阻的稳定范围”，应用笔记，德州仪器，1999年11月。
- BehzadRezavi，“模拟CMOS集成电路的设计”，加州大学洛杉矶分校，页100-135,2000年7月
- Phillip E. Allen和Douglas R. Holberg，“CMOS模拟电路设计”，第3版，牛津大学出版社，第125-138页
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