穩(wěn)壓器的選擇決定了低壓降芯片設(shè)計高性能的設(shè)計方案 - 全文

大部分系統(tǒng)設(shè)計工程師可能都會同意線性穩(wěn)壓器是眾多穩(wěn)壓器之中最容易使用的一種，而且由于這個原因，也最受系統(tǒng)設(shè)計工程師歡迎。但新一代的系統(tǒng)要求極為嚴(yán)格，因此只采用線性穩(wěn)壓技術(shù)的高性能系統(tǒng)會受到較多的制約，以致很難充分發(fā)揮其性能。這個發(fā)展趨勢帶出以下幾個問題：系統(tǒng)設(shè)計工程師構(gòu)思新產(chǎn)品時可以獲得哪一方面的技術(shù)支持？采用線性穩(wěn)壓技術(shù)的直流/直流功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點？是否比采用其他線路布局的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)勝？技術(shù)上又有什么局限？若以同一應(yīng)用作比較，哪一類的低壓降穩(wěn)壓器有較高的效率？不同廠商的線性穩(wěn)壓器是否有高下優(yōu)劣之別？

看起來這些問題好像非常簡單，其實問題的答案比我們想象復(fù)雜，因為需要考慮的重要因素及技術(shù)參數(shù)非常多，加上有關(guān)因素的重要性經(jīng)常被人忽略，因此系統(tǒng)設(shè)計工程師做出取舍時必須小心謹慎。由于新產(chǎn)品的供電要求越趨嚴(yán)格，電路板的面積也不斷縮小，加上系統(tǒng)必須保證能發(fā)揮最基本的性能，因此我們必須為新產(chǎn)品挑選合適的低壓降穩(wěn)壓器。好的低壓降穩(wěn)壓器可以解決很多應(yīng)用上的問題；若穩(wěn)壓器的選擇不當(dāng)，整個設(shè)計根本就無法落實執(zhí)行。

散熱、效率及封裝

線性穩(wěn)壓器的輸入功率并非完全能從輸出端口輸出，兩者

的相差都會轉(zhuǎn)為熱能耗散掉。功率耗散 （Pd） 可以根據(jù)以下的公式粗略估算：

Pd = （Vin – Vout） * Iout

若要更精確計算功率耗散，我們必須將 Vin * Iq 這個變項計算在內(nèi)。功率耗散總額可以根據(jù)以下公式計算出來：

Pd = （Vin – Vout） * Iout + Vin * Iq

若按照上述兩條公式，再將 5 伏 （V） 電壓調(diào)低至 1.5 伏 （靜態(tài)電流為 300mA），那么線性穩(wěn)壓器耗散為熱能的功率不會少于：

（5 – 1.5） * 0.35 = 1.225W

究竟這個功耗量應(yīng)視為高還是低呢？有關(guān)這個問題我們不可過早做出判斷，我們必須根據(jù)芯片封裝以及電路板的類型與面積 （若采用表面貼裝封裝），找出這些變項與溫度上升幅度之間的函數(shù)關(guān)系，從而計算 1.225W 的功率耗散究竟會令溫度上升多少。這樣我們才可作出一個較為全面的判斷，確定 1.225W 的功率耗散是高還是低。系統(tǒng)設(shè)計工程師一般都喜歡采用最小巧的封裝，但這類封裝的熱阻值非常高，因此散熱能力也最差。

標(biāo)準(zhǔn) SOT-23 及 SC-70 等小巧封裝的 qJA 值介于 200度/W 與 400度/W 之間。體積不大不小的 SOT-223、TO-252 （DPAK） 及其它無掩蔽焊球 SMD 封裝 （包括 PSOP 及 ETSSOP） 的 qJA 值則介于 50度/W 與 90度/W 之間。一般來說，只有較大的封裝 （例如 TO-220 及 TO-263） 才有較理想的 qJA 值，其數(shù)值介于 40度/W 與 60度/W 之間。大致上，這是封裝大小與溫度上升幅度之間的變化規(guī)律，適用于除 LLP?之外的所有封裝。由于 LLP?封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為特別，例如晶片以面向上、底朝下的方式置于金屬面，而金屬面則設(shè)于封裝底部，并無任何掩蔽，因此這種超小型封裝的熱阻極低，甚至可媲美較大的封裝，是目前唯一一種熱阻值這樣低的超小型封裝。

上述數(shù)字對系統(tǒng)溫度有什么影響？若功率耗散為 Pd = 1.225W，理論上 2.85mm x 3mm 的 SOT-23 封裝的溫度至少會上升 300度。6.6mm x 9.7mm 的 DPAK 封裝的受熱溫度會比環(huán)境溫度高 80度，只有 10.4mm x 14.35mm 的 TO-263 封裝或 2.9mm x 3.3mm 的 LLP 封裝才有較小的溫度升幅 （50度）。系統(tǒng)設(shè)計工程師若懂得如何選擇合適的線性穩(wěn)壓器封裝，便可大致知道是否需要改用開關(guān)穩(wěn)壓器。

靜態(tài)電流 （Iq） 及互補金屬氧化半導(dǎo)體 （CMOS） 低壓降穩(wěn)壓器

靜態(tài)電流 （Iq） 也稱為操作電流或接地電流，是設(shè)計低功率、低操作電流及以電池供電的電子產(chǎn)品時需要考慮的其中一個重要因素。每當(dāng)我們談及 1A、2A 或 3A 恒流負載時，我們會否忽略靜態(tài)電流所發(fā)揮的重要作用？系統(tǒng)設(shè)計工程師很多時都忽略這個問題 – 其實無視靜態(tài)電流的重要性可能要付出很大的代價。系統(tǒng)的靜態(tài)電流可能會隨著負載電流的增加而大幅上升，確實升幅取決于低壓降穩(wěn)壓器所采用的工藝技術(shù)。以雙極低壓降穩(wěn)壓器為例來說，3A 負載電流的靜態(tài)電流可能超過 200mA。此外，CMOS 低壓降穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流極低，而且不受負載大小影響，若滿載電流為 3A，靜態(tài)電流一般只有 3mA 至 15mA；若負載電流為 1A/2A，靜態(tài)電流則介于 100?A 與 6mA 之間。（參看圖 1 所載有關(guān)供電電流與負載電流的函數(shù)關(guān)系圖，圖中比較的兩款 150mA 低壓降穩(wěn)壓器分別采用 CMOS 及雙極工藝技術(shù)制造。）　　若輸出電流為 3A，靜態(tài)電流是 200mA 還是 6mA 的問題究竟是否這樣重要？正如上文所說，功率耗散總額是判斷低壓降穩(wěn)壓器解決方案實際可行與否的決定性指標(biāo)，雖然在計算功率耗散的公式之中，第一個變項會隨著不同的應(yīng)用而改變 （亦即這個變項取決于輸入電壓與輸出電壓），但第二個變項則完全取決于靜態(tài)電流的大小，而且可能是左右功率耗散實際大小的一個重要因素。以 3.3 伏的輸入電壓為例來說，200mA 的靜態(tài)電流會將功率耗散提高 660mW，以如此高的功率耗散來說，有關(guān)的設(shè)計可能需要改用開關(guān)穩(wěn)壓器。若靜態(tài)電流低至只有 6mA，功率耗散則只會增加約 20mW，這個增幅可說微不足道，因此功率耗散總額幾乎不受任何影響。以如此低的靜態(tài)電流來說，線性穩(wěn)壓器仍可發(fā)揮其作用，因此只要靜態(tài)電流夠低，系統(tǒng)設(shè)計工程師仍然可以選用 CMOS 線性穩(wěn)壓器。

在決定選用哪一個靜態(tài)電流數(shù)值之前，最好先查閱數(shù)據(jù)表內(nèi)頁所載的滿載數(shù)值。目前業(yè)者都喜歡將最低或無負載的靜態(tài)電流數(shù)值列于數(shù)據(jù)表內(nèi)最頂?shù)囊粰冢?a target="_blank">工程師很多時以為這是滿載數(shù)值，很易被這欄數(shù)字誤導(dǎo)。

壓降及低輸入電壓的低壓降穩(wěn)壓器

低壓降穩(wěn)壓器的壓降是否真的很低？我們應(yīng)再三思考這個問題。產(chǎn)品規(guī)格書上雖然標(biāo)明所需壓降為 100mV，但這個數(shù)值只適用于某些應(yīng)用情況，例如，輸入電壓若比穩(wěn)壓器芯片的最低輸入電壓大，壓降便可能只有 100mV，但系統(tǒng)若需要 1.2 伏或更低的輸出電壓 （目前許多應(yīng)用都必須采用這樣低的輸出電壓），而穩(wěn)壓器需要不少于 2.5 伏的輸入電壓操作，例如輸入電壓介于 2.5 伏與 5.5 伏之間的典型穩(wěn)壓器便需要 2.5 伏以上的輸入電壓，在這個情況下，真正壓降是：

2.5V - 1.2V = 1.3V

理論上，上述系統(tǒng)應(yīng)該可以執(zhí)行正常功能，但耗散為熱能的功率會占很大的比重。

若系統(tǒng)的輸入電壓可改為 1.5 伏或 1.8 伏，當(dāng)使用表明100mV壓降的低壓降穩(wěn)壓器可大幅提升效率，以及降低溫度上升幅度和耗散的熱量。以 2.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩(wěn)壓器為例來說，若采用 500mA 的負載：

功率耗散 = （2.5 - 1.2） * 0.5 = 0.65W

但同樣的系統(tǒng)若改用 1.5 伏最低輸入電壓的低壓降穩(wěn)壓器：

功率耗散 = （1.5 - 1.2） * 0.5 = 0.15W

兩者的功率耗散相差 500mW，這個數(shù)值可不小，難道我們可以置之不理嗎？

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圖 1：不同的低壓降穩(wěn)壓器在滿載電流范圍內(nèi)的供電電流 （Iq） 比較，比較的兩款大致相同的 150mA 低壓降穩(wěn)壓器分別采用 CMOS 及雙極工藝技術(shù)制造

總結(jié)

由于新一代電子系統(tǒng)要求非常嚴(yán)格，因此利用低壓降芯片設(shè)計高性能的解決方案并非像以往那么簡單容易。但系統(tǒng)設(shè)計工程師只要懂得挑選合適的穩(wěn)壓器，并充分利用許多常常被忽略的參數(shù)，或充分利用只有新一代低壓降穩(wěn)壓器才有的功能，便可采用極具成本效益而又容易設(shè)計的線性穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，以便充分利用這種結(jié)構(gòu)的全新功能及特色如先進而散熱能力更強的超小型封裝、低靜態(tài)電流 （無論負載電流的高低）、超低輸入電壓、以及先進的 CMOS 低壓降穩(wěn)壓器工藝技術(shù)。