现代便携式设备需要新型LDO

在从电源(无论是交流线路还是电池)到电子负载的长电气路径中，通常需要低压差 (LDO) 稳压器来覆盖“最后一英里”。在这里，嘈杂的开关稳压器让位，转而使用安静的 LDO 来为关键电子负载供电。LDO 一直在与其他电源管理电子设备一起不断更新或发展。随着时间的推移，LDO 不仅变得更加安静，而且更加可靠、准确、容错、强大和高效，并具有适应手头应用的多种功能。

图 1. 最先进的低压差稳压器：比一滴水还小。

微型无线 4G 基站等近期应用对本已很小的 LDO 提出了挑战，要求其变得更小，同时提供更多功率。在本文中，我们将回顾 LDO 的主要特性，同时将现代 CMOS LDO 与旧的双极主力进行比较。随后，我们将回顾每个 LDO 参数如何帮助解决特定的应用问题。然后，我们将推出一个新的 LDO 系列，其特性可进一步实现小型化、增强容错性并支持广泛的现代应用。

LDO 已取得长足进步

表 1 比较了具有集成 PNP 传输晶体管(2.1 至 16V 输入电压)的开创性双极 LDO 稳压器与具有集成 PMOS 传输晶体管(1.7 至 5.5 -V 输入)。从列出的所有特性中可以看出，CMOS LDO 的性能比旧的双极型 LDO 高 1.5 到 8 倍!

表 1：双极与 CMOS LDO 稳压器比较。

以下 LDO 参数对于手头的应用很重要：

低噪声和高 PSRR。在有线和无线通信系统中，LDO 为敏感的模拟电路(PLL、VCO、RF)提供清洁电源。LDO 必须具有良好的电源抑制比 (PSRR) 才能将其负载与其源极隔离，这可能是由于开关稳压器的噪声所致。低频谱噪声 (V RMS /√Hz) 将最大限度地减少 RF 解调器中的线性退化以及 PLL 和 VCO 电路中的相位噪声。

低功耗。 虽然功耗是 LDO 的致命弱点，但具有 100mV 压差 (500mA x 200mΩ) 的 5V、500mA LDO 在与 5.1V 输入 (50mW损失)，可与一些最好的开关稳压器相媲美。如果使用得当，可以利用 LDO 的特性而不必遭受其缺点。

低静态电流。在运行中，LDO 的静态电流会消耗额外的功率。具有 5V 输入的 4mA 静态电流(如表 1中的双极 LDO 所示)将耗散 20mW。这使监管机构失去了几乎另一个完整百分点的效率。CMOS 稳压器只有 365 µA 的静态电流，可以将这种损耗降低十倍。这很重要，因为在便携式应用中，低静态电流与低压差一样重要。

输出精度高。由于输出电压高于标称值，即使在可接受的容差范围内，也会产生额外的功耗。在 5 V 和 500 mA 的精度为 4% 时，您将看到功耗增加 4% x 5 V x 500 mA = 100 mW。这与前一种情况的传输晶体管的损失一样昂贵!这对于耗电的便携式应用来说是不够的。

低泄漏。即使不运行，LDO 也需要高效运行。可穿戴设备的尺寸通常非常小，并且必须在运行和货架上持续很长时间。在这两种模式下最小化尺寸和功耗是至关重要的。在关机模式下上架时，该设备可能需要使用长达三年，这需要非常低的泄漏电流。

新要求：反向电流保护。反向电流保护是现有 LDO 中很少发现的一项新功能。在电池供电的设备中，负载通常通过具有 MOSFET 传输晶体管的高效 CMOS LDO 进行调节，该晶体管在输入和输出之间承载反向偏置的本征二极管。

反向电流保护可防止在 LDO 输入端的降压稳压器关闭时出现较大的反向电流，从而将输入短路至 GND。大 LDO 输出电容的放电能量通过 LDO 传输晶体管的本征二极管造成损坏。允许低反向电流。超过设定阈值 (200 mA)，反向电流被完全阻断。

新要求：小型化。如表 1所示，LDO 封装小型化方面进展甚微。这部分是由于可靠性问题。在汽车引擎盖下应用等恶劣环境中，TDFN-8 等引线框架 IC 封装是首选，因为随着时间的推移，它们已证明其高可靠性。引线框架技术本质上是空间效率低下的。

另一方面，在消费者和无线通信应用中，尺寸是一个主要问题。幸运的是，这些环境相对温和且没有压力，为创新提供了机会。

我们能否保留 LDO 电气参数取得的所有进步，并添加额外的功能，例如具有反向电流保护的容错和无线应用的小型化?一个新的 LDO 系列积极地应对了这一挑战。

最先进的解决方案CMOS LDO的出色参数如表 1所示， 适用于MAX38902A / MAX38902B / MAX38902C / MAX38902D系列 LDO 稳压器。更进一步，这个新系列通过提供晶圆级封装技术选项解决了小型化问题，从而最大限度地减少了 PCB 空间的使用。此外，它还通过 LDO 电源系统的新颖实现解决了反向电流保护问题。让我们更详细地回顾一下这些创新：

晶圆级封装。微型 4G 基站小到可以放在背包里，而且功能仍然非常强大。在这里，为 RF 部分供电的 LDO 必须小巧而强大，可提供数百毫安的电流。这个较新的 LDO 系列的 C 和 D 版本采用晶圆级封装 (WLP) 技术来提高小型化程度。图 2 说明了采用 WLP-6 封装的 500-mA LDO 稳压器如何占据 TDFN-8 封装空间的大约四分之一(以及图 4的 SOT23-5 的十六分之一)。WLP-6 解决方案非常适合需要最小 PCB 空间的应用。

图 2：MAX38902C/D WLP-6 封装优势。

反向电流保护。传输元件(图 3中的 T1 )是一个低 R DSON p 沟道 MOSFET 晶体管。内部电路检测 MOSFET 漏源电压，除了驱动栅极外，还保持体二极管反向偏置。这一额外步骤允许器件在其极性反转时表现得像一个真正的开路开关(LDO OUT 比 LDO IN 高 10 mV)。在适当的驱动 (CONTROL) 下，正的漏源电压使 MOSFET “导通”，电流在正常模式下流动，而体二极管再次反向偏置。

这一创新功能可保护负载和 LDO 免受意外输入短路的影响，从而使系统具有更高的容错能力。

图 3：MAX38902A/B/C/D 反向电压保护。

高可靠性应用。工业和汽车应用的特点是工作温度范围宽。在此，可能首选更能承受温度引起的 PCB 表面机械应力的引线框架封装。在这种情况下，现代 TDFN 封装(A 和 B 版本)提供的解决方案大约是更传统的 SOT23-5 或类似封装的一半占位面积和三分之二的高度(图 4)。

图 4：MAX38902A/B TDFN-8 封装优势。

低噪音性能。 图 5 显示了该系列器件的频谱噪声密度。它的品质因数低至 30 nV/√Hz)，是许多低噪声应用的绝佳选择。

图 5：MAX38902A/B 噪声性能。

高 PSRR 性能。 图 6 显示了从 100 Hz 到 10 MHz 的 PSRR 曲线。该系列的品质因数高达 62 dB，是模拟或数字噪声敏感应用的绝佳选择。

图 6：MAX38902A/B PSRR。

结论

LDO 自最初推出以来，通过适应不断发展的应用程序的需求，已经取得了长足的进步。我们回顾了经典的 LDO 参数并讨论了从双极到 CMOS 实现的改进。接下来，我们讨论了反向电流保护的挑战以及许多现代便携式应用所需的小型化。新的 LDO 系列 (MAX38902A/B/C/D) 通过新的电源系统架构解决了前一个问题，并通过采用晶圆级封装选项解决了后一个问题。对于工业和汽车应用等具有挑战性的应用环境，也可以使用传统的引线框架封装技术。

基本 LDO 的多个版本的可用性支持不同的应用程序。这为系统设计人员提供了几个“首选”LDO，可以利用它们来节省大量成本和开发时间。

审核编辑：汤梓红