席礪莼、董麗梅、田夢(mèng)周、閆宏偉

電源電路通常在臨近研發(fā)階段結(jié)束時(shí)才進(jìn)行贓,然而對(duì)便攜式產(chǎn)品,電池卻是頭等重要的大事。要想穩(wěn)定電池供電電源的電壓,實(shí)踐要比說(shuō)說(shuō)復(fù)雜得多,特別是在單系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電壓的類型和數(shù)量增加時(shí)。穩(wěn)壓IC技術(shù)的最新進(jìn)展為設(shè)計(jì)者提供控制輸出電壓更有效的途徑,并為多電壓系統(tǒng)提供更充足的功率。

1999年,全球穩(wěn)壓器與電壓基準(zhǔn)業(yè)務(wù)達(dá)到23億美元的規(guī)模,占模擬產(chǎn)品總銷售額的11%,器件總數(shù)據(jù)的22%。據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)分析公司Mclean Report預(yù)測(cè),2001年的總銷售額將激增至35億美元。

穩(wěn)壓器是電源設(shè)計(jì)中的基本組件。線性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單易用,電磁干擾（EMI）低,輸出紋流低、負(fù)載與線路穩(wěn)定性好,對(duì)負(fù)載與線路的變化響應(yīng)也快;然而與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比,效率較低,若使用散熱器,占用的空間較大。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器降低了對(duì)源功率的要求,無(wú)需散熱器。這種器件功率密度高,能產(chǎn)生各種小于,甚至大于輸入的單路或多路輸出電壓,當(dāng)然與線性穩(wěn)壓器相比,易產(chǎn)生EMI,具有較高的輸出紋波,對(duì)負(fù)載或線路變化響應(yīng)慢。

無(wú)論是線性穩(wěn)壓器還是開(kāi)穩(wěn)壓器,本質(zhì)上都是模擬的。盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有一些數(shù)字電路,實(shí)際上只不過(guò)是脈寬調(diào)制的模擬電路。在多數(shù)場(chǎng)合,兩者都以單芯片形式提供。在內(nèi)置微處理器、DSP或FPGA的便攜式設(shè)計(jì)中,芯核電壓不斷地在降低,且一般與I/O供電是分離的。因此,設(shè)計(jì)者開(kāi)始寄厚望于備有雙輸出電壓的電源管理器件。Texas Instruments的雙電壓穩(wěn)壓器TPS56300就是一個(gè)很好的例證。它在單芯片上設(shè)置了供芯核使用的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,供I/O使用的低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器。這似乎反映了器件發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。

線性穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓器采用FET去除外加輸入電壓的多余部分來(lái)提供精確的輸出電壓。FET可視為輸入電壓與輸出電壓之間的一個(gè)可變電阻。這類電路的一個(gè)固有缺陷就是輸入與輸出間存在一定的電壓降。為了使穩(wěn)壓器的輸出電壓保持在正常值的范圍內(nèi)（低于100mv）,應(yīng)盡量降低這個(gè)壓差。正輸出LDO穩(wěn)壓器通常用PNP型晶體管作調(diào)整管,使穩(wěn)壓器具有極低的壓降,一般為200mv;相反,負(fù)輸出LDO的調(diào)整管則采用NPN型晶體管。



National Semiconductor正在開(kāi)發(fā)新型模擬產(chǎn)品來(lái)滿足移動(dòng)電話類便攜式產(chǎn)品不斷提出的多電壓,小占用面積的要求。對(duì)此,公司相關(guān)人員解釋道：“移動(dòng)電話正日益‘消費(fèi)品化’。MP3播放機(jī)、FM收音機(jī)、免提功能,幾乎能想象到的功能都增添到它的內(nèi)部了。其結(jié)果必須是在小型封裝擠入更多的器件?！惫窘鉀Q小占用面積的途徑是采用微型SMD封裝,即裸裝型封裝。這類器件不是將芯片放置在常規(guī)的SOT-23-5L一類塑料封裝內(nèi),而是將焊球直接安置在芯片上。這意味著芯片的尺寸就是實(shí)際封裝的尺寸。

NS的LP3985新型CMOS LOD穩(wěn)壓器是一個(gè)5焊球、1mm2的微SMD封裝器件。由于采用了LDO技術(shù),穩(wěn)壓器在低輸出等效串聯(lián)電阻（ESR）條件下保持穩(wěn)定性是十分重要的?，F(xiàn)在更多地使用陶瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片隙來(lái)節(jié)省印制板空間。NS在為移動(dòng)電話客戶制作的ASIC中已采用LP3985,作為ASIC LDO塊之一。ASIC內(nèi)部一般有5～8個(gè)LDO。LDO向數(shù)字電話內(nèi)部的信號(hào)處理元件提供功率。這類產(chǎn)品也發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,也可作為一種集成化ASIC。

在便攜設(shè)計(jì)中,延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。電源產(chǎn)品內(nèi)置“休眠”方式來(lái)關(guān)閉部分電路。此外,在RF應(yīng)用中,穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)問(wèn)題。盡管線性穩(wěn)壓器的噪聲比開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器低,但是仍產(chǎn)生不希望有的噪聲。

由于LD標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器更能充分利用輸入電壓,在電池放電階段能工作更長(zhǎng)時(shí)間,因而非常適合電池供電的應(yīng)用。LDO也減少了提供穩(wěn)定輸出電壓所需的電池?cái)?shù)量。考慮到電池供電的便攜式產(chǎn)品的增長(zhǎng)必然導(dǎo)致對(duì)LDO需求的增加,Vishay Inter technology、International Rectifier等公司采用收購(gòu)的策略在生產(chǎn)線上應(yīng)用LDO技術(shù)。International Rectifier最收購(gòu)了Omneril;而Siliconix已成為Vishay的一部分。

去年夏天,Siliconix發(fā)布了新型LDO穩(wěn)壓器,即Vishay Siliconix Si9182DH。對(duì)功率變換設(shè)計(jì),在輸入端與輸出端可使用2.2μF陶瓷電容或鉭電容。Si9182DH改進(jìn)了公司原先IC的性能。在其最大連續(xù)輸出電流250mA下,壓降僅為180mV。低壓降延長(zhǎng)了電池的壽命。一般的線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)小于2ms,允許它與快速的DSP和微控制器一起使用。在輸入電壓2～6V范圍內(nèi),Si9182DH與單個(gè)或多個(gè)電池兼容,用于移動(dòng)電話、發(fā)信機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電話、PDA、筆記本電腦及便攜式儀器中。

同在去年夏天,Semtech在產(chǎn)品系列中增加了幾款電池工作系統(tǒng)的新型LDO。SC1454具有兩上獨(dú)立啟用、超低壓降穩(wěn)壓器（ULDO）。一個(gè)穩(wěn)壓順的輸出固定;另一個(gè)可以是固定的,也可以用外部電阻來(lái)調(diào)整。它的特點(diǎn)鮮明：靜態(tài)電流低、輸出噪聲低、多種輸出電壓、輸入反極性保護(hù)。另一款新型器件是SC1456,它將兩個(gè)150mA、低噪聲ULDO集成在一個(gè)芯片內(nèi),供關(guān)注點(diǎn)用空間的便攜式設(shè)計(jì)應(yīng)用。其它特性包括2.5～6V輸入電壓范圍,輸出噪聲低、陶瓷電容穩(wěn)定工作。可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3V、3V、2.8V和2.5V。最新產(chǎn)品是SC1563,其特點(diǎn)是靜態(tài)電流低,封裝尺寸小,有斷路引線,使用陶瓷電容或鉭電容?？蛇x電壓為3.3V、3.1V、3V、2.8V、2.5V和1.8V,也可用外部調(diào)整輸出。