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LDO的功耗和壓差分析

發(fā)布時(shí)間:2011-11-11

中心議題: 解決方案:
  • 合理分配LDO實(shí)際功耗
 
便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級思維,在開發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí),諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品,如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,則會影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和功率分配架構(gòu)等。同樣,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器,一般都設(shè)有幾個(gè)不同的工作狀態(tài),通過一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對電池容量的消耗。即當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí),處理器就會進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。[1]帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是不錯的選擇。

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的結(jié)構(gòu)主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò),保護(hù)電路等,基本工作原理是這樣的:系統(tǒng)加電,如果使能腳處于高電平時(shí),電路開始啟動,恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置,基準(zhǔn)源電壓快速建立,輸出隨著輸入不斷上升,當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí),由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值,此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大,再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出,從而形成負(fù)反饋,保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上;同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化,這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變,即:

VOUT=(R1+R2)/R2  * Vref
產(chǎn)生壓差的主要原因是,在調(diào)整元件中有一個(gè)P溝道的MOS管。當(dāng)LDO工作時(shí)MOS管道通等效為一個(gè)電阻,RDS(ON),

VDROPOUT = VIN - VOUT = RDS(ON) x IOUTR.

由此得出低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的一個(gè)重要特性,在輸入電壓大于最小工作電壓和輸出電壓其標(biāo)稱值范圍內(nèi),負(fù)載電流為零時(shí),輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化,這就是LDO的跟隨特性,待輸出電壓達(dá)到其標(biāo)稱值后不隨輸入而變化,從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的,這就是LDO的穩(wěn)壓特性。如圖為圣邦微電子的SGM2007輸入電壓和輸出電壓的曲線。
在測試壓差(Dropout)時(shí)不同的廠家有不同的標(biāo)準(zhǔn)。德州儀器(TI)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱值跌落2%時(shí)的輸入、輸出電壓的差值.其它的如,美信(Maxim),圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱值小于100mV時(shí)的輸入、輸出電壓的差值. 如圖為圣邦微電子的SGM2007負(fù)載為300mA時(shí)輸入電壓和輸出電壓的曲線。
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如圖在箭頭范圍內(nèi),輸入和輸出和箭頭組成的圖形在一定范圍內(nèi)近試為平行四邊形,在平行四邊的邊上任取一點(diǎn),做與另一邊平行的線段,由平行四邊形的定義可知和另一邊相等。所以這兩種測試方法只是取值點(diǎn)不同而已,對同一芯片而言,兩種方法測得值幾乎相同。在TMT生產(chǎn)測試中,也有兩種測試方法,一種是循環(huán)法,輸入在某一個(gè)確定值時(shí),以步長為1mV下降,至道輸出電壓較其標(biāo)稱值跌落2%,或輸出電壓較其標(biāo)稱值小于100mV時(shí)停止,這種方法循環(huán)的步長越多,測試的時(shí)間就越長,對芯片的成本就越高,令一種方法是,輸入固定電壓法,輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形,只要我的取值點(diǎn)在平行四邊形內(nèi),測得的值就是相同的,所以通常是根據(jù)具體的LDO 的Dropout的大小,輸入加上某一個(gè)值,使輸出電壓約等于較其標(biāo)稱值跌落2%或較其標(biāo)稱值小于100mV。例如Dropout在150mA時(shí)為100mV,那么輸入可以等于輸出,這樣測的輸出比標(biāo)稱值小于100mV,等于這樣測一次就可以了,節(jié)約了大量的時(shí)間,降低生產(chǎn)成本。

單體鋰離子電池充足電時(shí)的電壓為4.2V,放完電后的電壓為2.3V,而有些標(biāo)定電壓為3.3V工作的微處理器DSP的最低工作電壓可以達(dá)到2.9V。這樣LDO輸出值在小于標(biāo)稱值的一定范圍內(nèi)還是可以工作的。由上圖可見,LDO的壓差越小,輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形越長,LDO的工作時(shí)間就越長效率就越高,電池的待機(jī)時(shí)間也就會越長。

低壓差線性穩(wěn)壓器由于存在壓差,它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如,如果一個(gè)驅(qū)動圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的3.6V,在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓,那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%,因此在手機(jī)中產(chǎn)生了一些發(fā)熱點(diǎn),并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言,確實(shí)存在這些缺點(diǎn),但是當(dāng)電壓差較小時(shí),情況就不同了。例如,如果電壓從1.5V降至1.2V,效率就變成了80%。

低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓,輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來計(jì)算最惡劣情況下的功耗:

PD=(VINMAX- VOUTMIN )ILMAX。其中:PD = 最惡劣情況下的實(shí)際功耗,VINMAX = VIN 腳上的最大電壓,VOUTMIN = 穩(wěn)壓器輸出的最小電壓,ILMAX = 最大( 負(fù)載) 輸出電流。

最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(*AX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125°C) 和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻(θJA) 的函數(shù)。對于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23A封裝器件,其(θJA)約為250°C/Watt。

PDMAX=(*AX- TJMAX)/ θJA

VINMAX = 3.0V +10%,VOUTMIN = 2.7V - 2.5%,ILOADMAX = 40mA,TJMAX = +125°C,*AX = +55°C

實(shí)際功耗PD=26.7mW,最大允許功耗: PDMAX= 280mW.

在低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的使用過程中一定要注意合理分配LDO實(shí)際功耗,不要超過他的最大功耗。以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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