低壓差穩(wěn)壓器（一般稱(chēng)作 LDO）在今天的許多應(yīng)用已是一種常用器件，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)壓方法，能對(duì)由高輸入電壓經(jīng)降壓后得到的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。 此外，與開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器相比線性 LDO 電壓穩(wěn)壓器的噪聲非常小。

盡管如此，要保持系統(tǒng)低功耗，這類(lèi)穩(wěn)壓器還必須具有超低靜態(tài)電流 （IQ），并通過(guò)出色的動(dòng)態(tài)性能確保實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)噪聲電壓軌，以適用于驅(qū)動(dòng)如微處理器、FPGA 和其他系統(tǒng)板上器件等 IC 負(fù)載。

我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中無(wú)法同時(shí)擁有超低 IQ 和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 實(shí)際上，具有相同 IQ 電流特性的兩個(gè)相似 LDO 在動(dòng)態(tài)性能方面可能相去甚遠(yuǎn)。 根據(jù) ON Semiconductor 提供的一份應(yīng)用說(shuō)明 1，這兩種要求通常是相互排斥的，成為擺在功率 IC 設(shè)計(jì)人員面前的一道真正難題。 所以，市場(chǎng)上并沒(méi)有多少能同時(shí)滿(mǎn)足這兩種要求的 LDO。

偏置超低 IQ LDO

根據(jù) ON Semi，影響超低 IQ LDO 穩(wěn)壓器動(dòng)態(tài)性能的主要因素是器件的制造工藝和相關(guān)電路設(shè)計(jì)。 雖然諸如 CMOS 或者 BiCMOS 等先進(jìn)工藝經(jīng)優(yōu)化后能讓功率器件實(shí)現(xiàn)低功耗和高速性能，但動(dòng)態(tài)性能卻取決于電路設(shè)計(jì)。 ON Semiconductor 的功率 IC 設(shè)計(jì)融合了這兩種技術(shù)，使器件性能獲得大幅提升。 除擁有超低 IQ 以及出色的線路、負(fù)載瞬態(tài)特性外，這種 LDO 還具有超低輸出噪聲和高電源抑制比 （PSRR） 特性。

Linear Technology Corp.、Maxim Integrated Products 和 Texas Instruments 等許多制造商也在這方面取得了類(lèi)似的進(jìn)步。 為適應(yīng)各種不同的電池供電型移動(dòng)應(yīng)用，這些 LDO 供應(yīng)商精心制造了具有高 PSRR、超低噪聲和快速響應(yīng)特性的超低 IQ LDO。

傳統(tǒng)的做法是，超低 IQ CMOS LDO 通過(guò)采用常數(shù)偏置方案來(lái)確保接地電流 （IGND） 消耗在有效的電流范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。 按照定義，IQ 決定 IGND。 ON Semiconductor 的 MC78LC 便是此類(lèi)器件的一個(gè)很好的例子，其 IGND（或 IQ）為 1.5 μA。 正如 ON Semi 工程師在應(yīng)用說(shuō)明中指出的那樣，常數(shù)偏置的主要不足是相對(duì)較差的動(dòng)態(tài)性能，即負(fù)載和線路瞬態(tài)、PSRR 和輸出噪聲性能弱。 ON Semi 建議采用較大的輸出電容器進(jìn)行性能補(bǔ)償。 圖 1 所示為 LDO MC78LC 的輸出電容器 （COUT） 從 1 μF 增大至 100 μF 時(shí)的過(guò)沖和下沖。

圖 1：MC78LC 的輸出電容器 （COUT） 從 1 μF 增大至 100 μF 時(shí)，其過(guò)沖和下沖得到了明顯改善。

表 1 給出了對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同輸出電容值的精確過(guò)沖和下沖幅值。 由此看出，采用電容為 100 μF 的較大電容器時(shí)瞬態(tài)幅值大大減小。

輸出電容器 COUT 1 μF 10 μF 100 μF 過(guò)沖 +560 mV +180 mV +80 mV 下沖 -720 mV -240 mV -100 mV

表 1：MC78LC 對(duì)應(yīng)用三個(gè)不同輸出電容器 COUT 值時(shí)的瞬態(tài)幅值。

雖然采用較大的輸出電容器能使 LDO 瞬態(tài)幅值急劇減小，但會(huì)延長(zhǎng)建立時(shí)間。 而且在該應(yīng)用說(shuō)明中，工程師建議采用大型輸出電容器時(shí)，可能需要在 VIN 和 VOUT 引腳之間增加一個(gè)外部反向保護(hù)二極管。 這個(gè)反向二極管用于保護(hù) LDO 穩(wěn)壓器，防止輸入電壓突降期間的過(guò)大反向電流流入內(nèi)部 PMOS 體二極管。 然而，ON Semiconductor 的產(chǎn)品行銷(xiāo)工程師 Pawel Holeksa 指出，增大 COUT 并不能保證獲得所需的性能。 另外，較大的輸出電容器和保護(hù)用外部二極管會(huì)增加該解決方案的成本和體積。

低噪聲、高 PSRR

因此，為了克服常數(shù)偏置法的局限性，ON Semiconductor 開(kāi)發(fā)出一種采用巧妙偏置方案的 LDO。 通過(guò)改變接地電流或者 IQ 電流與輸出電流的輸出關(guān)系，全新 LDO 改善了常數(shù)偏置 LDO 相對(duì)較弱的動(dòng)態(tài)性能。 類(lèi)似的兩種產(chǎn)品為 NCP4681 和 NCP4624，其典型靜態(tài)電流分別為 1 μA 和 2 μA。 圖 2 說(shuō)明了這些超低 IQ LDO 采用的設(shè)計(jì)理念，其中 IGND 電流隨著輸出電流成比例增大。 我們還可以看出，IGND 在 IOU 大于 2 mA 時(shí)開(kāi)始增大。

圖 2：在 NCP4681 和 NCP4624 這兩款超低 IQ LDO 中，接地電流 IGND 隨著輸出電流成比例增大。

相比常數(shù) IGND LDO，NCP4681/NCP4624 穩(wěn)壓器的規(guī)格書(shū)表明，比例偏置法 LDO 顯著提升了電源抑制比 （PSRR） 和負(fù)載瞬態(tài)性能。 相比之下，NCP4681 在 100 Hz 和 IOUT = 30 mA 時(shí)把 PSRR 提升了大約 15 dB。 根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，在這種額定電流和頻率以及 1.5 V 輸出、2.5 V 輸入電壓下，額定 PSRR 為 53 dB，并且當(dāng)輸出電流降至 1 mA 時(shí)保持不變。 雖然比例偏置技術(shù)相比常數(shù) IGND LDO 能提升動(dòng)態(tài)性能，但還不能充分滿(mǎn)足一些要求苛刻的應(yīng)用。

一些應(yīng)用實(shí)際上要求超低 IQ LDO 具有更優(yōu)的 PRSS 性能。 因此，當(dāng)選擇超低 IQ LDO 穩(wěn)壓器時(shí)除了瞬態(tài)響應(yīng)外，LDO 噪聲和 PSRR 也是必須考慮的重要技術(shù)指標(biāo)。 為此，Texas Instruments 開(kāi)發(fā)出 TPS727xx 系列超低 IQ LDO，該系列器件具有非常高的 PSRR、超低噪聲和出色的瞬態(tài)響應(yīng)性能。 TI 利用先進(jìn)的 BiCMOS 工藝和 PMOS FET 無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)了這一性能。 例如該系列中的 250 mA TPS72718，當(dāng)輸出電壓為 1.8 V、輸入電壓為 2.3 V 且輸出電流為 2.3 mA 時(shí)，其 1 kHz 下的 IQ 為 7.9 μA、PSRR 為 70 dB（圖 3）。 在帶寬為 100 Hz 至 100 kHz 以及類(lèi)似輸入和輸出條件下，輸出電壓噪聲僅 33.5 μVrms。

圖 3：超低 IQ LDO TPS72718 在輸入與輸出電壓差為 0.5 V、輸出電流為 10 mA 、1 kHz 頻率時(shí)的 PSRR 大于 70 dB。

同樣，為了在增強(qiáng)動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)仍保持超低 IQ，ON Semiconductor 也采用了一種稱(chēng)作自適應(yīng)接地電流的新技術(shù)。 采用這種技術(shù)的 LDO 能在一定輸出電流水平下提升接地電流，而不會(huì)削弱動(dòng)態(tài)性能。 因此，在擁有出色的負(fù)載/線路瞬態(tài)和 PSRR 性能的同時(shí)，將輸出噪聲降至最低。 這類(lèi)器件正進(jìn)行優(yōu)化，以便能向要求長(zhǎng)電池壽命、小型解決方案基底面環(huán)境中的敏感性模擬/射頻電路供電。

總之，現(xiàn)代 LDO 結(jié)合了工藝技術(shù)和電路設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)超低 IQ LDO 的同時(shí)，使其負(fù)載瞬態(tài)、PSRR 和輸出噪聲等動(dòng)態(tài)參數(shù)保持高性能水平。