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为微处理器核心供电

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文


  已知负载电流和压差VIN-VOUT确定功率损耗,那么如何提高 LDO 稳压器的性能,使之适应标准封装的限制?尽管负载决定了输出电流和电压,但仍可以减小输入电压和 VDIFF。如果能降低这个电压差,就可以减小功耗和封装的约束,也就可以有更多可供选择的 LDO 稳压器方案。
为微处理器核心供电


图4,FET 正在代替双极晶极管用于传输晶体管,因为 FET 的低导通电阻可以提供比双极晶体管固定饱和电压更低的压降。

  新型 LDO 稳压器满足了这一要求,它具有比以往产品更低的电压降(VDIFF),以及降低最小输入电压和输出电压等级的方法。需要用场效应管(FET)代替双极晶体管来担当传输晶体管角色,因为 FET 的导通电阻电压降低于双极晶体管的固定饱和电压(图 4)。但很遗憾,大多数的 LDO 稳压器仍然要求最低输入电压要高于控制电路的工作电压。市场上也出现了一些改进后的 LDO 稳压器:它们有一个 VIN 和一个 VBIAS 输入,即将主电流通路与 IC 的偏置通路分隔开。换句话说,该器件的控制电路运行在较高的标准电压下(5V),有极小的电流(3mA),而通向输出端的大电流通路则来自一个独立的低电压输入(VIN)。这种设置降低了压差VIN-VOUT以及功率损耗。美国国家半导体的 LP3883 就是使用 VBIAS 端的一个电路实例,它在 3A 输出电流时压降为 210 mV。可以从一个 1.5V 电源(另一个核心电压)为 1.2V 负载(3.6W)提供 3A 电流,而功率损失仅为 900 mW。再加上控制电路消耗的 3mA 电流(控制电路电压为 5V),总的功率损耗只有 915 mW,因此可以采用很多封装形式。使用这些新型 LDO 稳压器,最佳策略就成了找到并利用电路板上的最低电压。标准封装的线性稳压器一般都比开关稳压器更便宜、更小,使用也更方便。
  可以用以下公式确定应用的功耗对散热方式的要求:θJA=(TJ-TA)/PLOSS,其中θJA 为封装的热阻;TJ为 IC 的最大结温(一般为 125°C),TA 为紧贴 IC的环境温度(系统的内部环境)。在本例中,TA为 30℃(大致的室内温度),TJ 为 125℃。计算出方案所需θJA后,将其与LDO 数据表中的封装进行比较,选定一种封装形式。数据表中封装的θJA必须等于或小于计算出的θJA值,否则结温可能会超出设定的最大值。
  现在,我们已经计算了某个线性稳压方案的功率损失,并且确定了用于散热的封装形式。下面要考虑一下功耗和效率对电池寿命的影响。电池寿命一般用毫安小时(mAh)来表示。可以粗略地认为一节 100 mAh 的电池可以提供 10 个小时的 10 mA 电流,或提供一个小时的 100 mA 电流。(当然许多因素可以影响或降低这一数值。)
  如果 IC 核心需要 100 mA 电流,则无论输入电压或输出电压如何,线性稳压器都必须通过它的传输晶体管供给 100 mA电流。但是,开关稳压器可以通过控制传输晶体管的导通时间(占空比)来减少对输入端平均输入电流的需求。在大多数情况下,开关稳压器效率都高于 LDO,因为它的输入电流是可以减小的,所以对那些需要高效率并对热量敏感的应用来说,开关稳压器方案更具吸引力。
  关于线性稳压器有一个最后要注意的问题:如果核心电压是 1.2V,应确定它是否能承受更高的电压。市面上大多数的线性稳压器都使用标准的带隙基准源,它的最低输出电压极限是大约 1.25V。如果核心可以承受稍高的电压,可以选择的器件范围就宽多了,通常成本会更低。
  现在,已经清楚了线性稳压方案的参数,如效率、功耗、压降以及封装。第三步查看一下开关稳压器。前面提到过的新型 LDO 稳压器电压降已经大幅减小,某些情况下已接近了开关稳压器的效率,拓宽了它们的应用范围。然而,开关稳压器总体上效率仍然更高,也有许多种类可供选择。
为微处理器核心供电
图5,计算出的效率曲线,1.2V 输出电压,50 mA 至 5A 电流范围,分别对应于一个同步开关稳压器、一个异步开关稳压器和一个线性稳压器时。

  先来比较一下开关稳压器的与线性稳压器的效率。图 5 显示了计算出的效率曲线,它们分别是一个同步开关稳压器、一个异步开关稳压器和一个线性稳压器,条件均为 1.2V 输出电压,输出电流范围为 50 mA 至 5A。当输入电压从 3.3V 降至 2.5V 和 1.5V 时,异步开关稳压器和线性稳压器的效

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