IC设计:低功耗之线性稳压器(LDO)-《芯苑》

随着More-Than-Moore(超摩尔定律)的口号越来越响亮,逐渐带动物联网(IoT)、智能穿戴设备的兴起。而这些设备里面不可或缺的就是MEMS传感器,所以前面花了两堂课讲了一些MEMS相关的普及知识,后面还会继续和大家一起做深入学习。

但是不管是穿戴设备还是智能手机,最重要的是怕天天充电,而传感器的电源也需要靠Energy-Harvester将外界光能/动能/磁能转换成微弱的电能,可想其功耗要求是多么重要。这就是为什么智能手机都不用Intel的CPU而改用ARM的处理器架构,因为ARM的架构注重功耗,而Intel的架构注重性能。

而在移动设备和穿戴设备里,最重要的除了有ARM的处理器架构来实现低功耗之外,还有就是电源管理IC了,这是个啥东西?其实就是管理各个芯片工作电压的大管家,它负责把锂电池输出的3.7V电压输出给各自芯片的Vin端供芯片工作。传统意义的电源管理就是AC/DC(交流转直流)或者DC/DC(直流转直流),怎么又冒出一个LDO了?

1、何为LDO?

LDO即低压差线性稳压器(Low-DropOut regulator),它的卖点是“低压差”,因为传统的线性稳压器(78xx)都需要输入电压比输出电压高2~3V以上,否则就不能正常工作。在下面几种情况下就没有优势了,所以才产生了LDO类的降压芯片或电路模组。

1) 我们的锂电池是3.7V,而我们的芯片是1.8~3.3V的时候如何通过穿通的线性稳压器来降压?

2) 我们的锂电池电压随着电量减少电压是逐渐下降的,当下降到使得输入与输出小于2V时就无法工作了,而只有LDO可以让电池撑到油尽灯枯。

3) 搞半导体的都知道Mix-signal都有core device和IO device,比如5V/3.3V,3.3V/1.8V,这样从IO到core的时候压差只有1.7V、1.5V怎么降压?

2、电路原理及特性:

LDO的主要电路图如下图,其实很简单,只要稍微学校里学过点电路就懂。它的核心在于圆圈里面的晶体管(可以是MOSFET也可以是BJT),为什么叫做线性稳压源其实就是利用了晶体管工作在线性区,能够通过控制栅极电压来控制沟道电阻从而达到控制输出电压的目的,所以Vout=Vin-I*Rlin。简单吧~但是它只能实现降压,不能实现升压,如果升压你就只能选择DC-DC或者charge pump了。

IC设计:低功耗之线性稳压器(LDO)-《芯苑》

可是如何实现自动调整Vout?这就需要如图的两个电阻R1/R2组成的取样电压接入误差放大器同相端,然后外面给个参考电压接入误差放大器的反向端(极性不能反否则无法放大,如果是NMOS则反过来接),只要Vout发生变化则取样电压与Vref (可由bandgap产生)的电压差就会被放大输出给gate从而调整晶体管的输入输出特性达到调整Vout的效果。这是一个动态校正的过程,所以才叫做稳压器而不是降压器/变压器。是不是很神奇?

原则上,只要有线性特性的器件都可以,所以BJT和MOSFET都可以,但是BJT主要因为它是电流控制型不符合低功耗的要求,而且驱动电流比较大,所以Vin和Vout的差值还是太高,所以现在都采用MOSFET。至于该采用NMOS还是PMOS主要还是取决于压差,通常选用PMOS。因为PMOS的dropout电压是就是饱和压降Vdsat=Vin-Vout大约是200mV,而NMOS由于drop-out电压受到了误差放大器输出电压的限制(误差放大器的输出电压最大只能达到其电源电压,即LDO的输入电压),所以drop-out电压大小为NMOS的Vgs(Vdsat+Vth),所以就没有PMOS的优势了。当然也可以引入charge-pump提高误差放大器的电源电压来解决但是提高了复杂度和成本,但是NMOS调整管的PSRR(电源抑制比)比PMOS好。

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3、LDO的参数:(Refer RichTek: LDO selection guide)

1) 输入输出电压差(Drop-out Voltage):这个应该没什么好说的吧,卖的就是这个了~~理论上当然越低越好。一般PMOS可以做到200mV。

2) PSRR:这就是LDO经典的参数电源纹波抑制比(Power Supply Ripple Rejection),它是很多LDO芯片用来衡量LDO对不同频率输入电源纹波的抑制能力,它反映的是LDO不受噪声和电压波动而保持输出电压稳定的能力(抗干扰能力)。其计算公式为输出电压和输入电压纹波幅度的比值,所以PSRR值越低越好。(反之则反)

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3) 超低静态电流Iq(Quiescent):这种主要应用在传感器一类的元件中,大部分时间都是休眠的,所以在静止状态下的电流是待机的主要杀手,它主要是直接对地进行电流测试(一般几个uA)。

4) Vin MIN: 最小值决定了你是否能开启LDO的调整管,因为当Vin小于1V时(RTK standard),可能Vin-Vout无法开启调整管则无法工作,此时必须外接charge pump给误差放大器了,那我们就干脆选用NMOS做调整管了。

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5) 线性调整率/负载调整率:

a. 线性调整率(Liner regulation):输出电压的变化与输入电压的变化比值(ΔVout/ΔVin)。

b. 负载调整率(Load regulation):指输出电压随负载电流的变化情况(ΔVout/ΔIout)。

这两个参数都对应电路的稳态响应特性,通常情况下,输出电压随输入电压的降低及负载电流的增大而降低。要想提高线路及负载调整率,较为直接的方法是提高环路增益。

4、LDO与DC-DC的差别:

所谓DC-DC其实就是直流变直流电压,当然LDO也算是DC-DC的一种,只是LDO只能实现降压。

一般的DC-DC主要内部通过自激振荡电路先由DC转成AC交流,所以外面需要电感和电容实现LC振荡(而LDO只要一个滤波电容),再在输出端通过积分滤波从AC回到DC,而它的电压变化主要是在AC电源期间实现升压(Boost)、降压(Buck)、反向等,但是由于转换两次会产生损耗,所以如果需要提高效率可以从这方面入手,但是它的效率任然远高于LDO。(举个例子为什么电网输送一定是高压传输低压入户?就是为了降低传输损耗。)

除了压降比较低之外,LDO的另外一个卖点是“稳”,做模拟电路的人都知道输出端主要变数在于负载,如果负载发生变化的时候输出电压是不是也跟着变化了(基尔荷夫电压定律),而此时这个动态的稳压电路就可以自动调节来快速做出回应保持Vout不变。

如果输入比输出高>3V的时候建议还是用传统的DC-DC(开关模式转换器),因为高压输入低压输出模式的功率消耗比较低,所以转换效能比较高,因为Ploss=(Vin-Vout)*Iload。

DC-DC的开关频率会导致电源噪声很大,所以PSRR会比LDO差,所以在敏感的模拟(Analog)电路需要选择纯净的LDO。

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5、LDO的制程注意点:

1) 调整管:这个晶体管的Analog特性要非常好,线性度,导通电阻,跨导特性,还有低漏电。

2) 误差放大器:因为他要和参考电压比较,所以mismatch很重要。

3) 取样电阻:它直接决定了Vout电阻取样控制gate的特性,以及静态对地电流。

6、主要的公司:ADI、Liner Technology、RichTek(立琦)、OnSemi(安美森)、TI、Diodes、FairChaild等等。但是现在很多IC都已经把这个模块整合到它的芯片里面去了,所以很多时候你们会看到有一个CP测试的bin叫做LDO。

参考资料:

1. http://www.richtek.com/selection-guide/tw/selection-ldo-criteria.html

2. http://www.twwiki.com/wiki/LDO

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