【導讀】線性穩(wěn)壓器有什么新功能?讓我們從輸出電容器開始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當今的電容器。這主要是因為改進的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F),并且改進的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。
新型線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器有什么新功能?讓我們從輸出電容器開始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當今的電容器。這主要是因為改進的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F),并且改進的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。這些電容器的小尺寸減少了其電感分量,從而獲得更好的高頻性能。但陶瓷電容器值得關(guān)注的關(guān)鍵特性是其低等效串聯(lián)電阻 (ESR)。
基本的閉環(huán)線性調(diào)節(jié)器系統(tǒng)由誤差放大器、輸出驅(qū)動器和負載組成。圖 1 至圖 3 詳細介紹了雙極性線性穩(wěn)壓器的閉環(huán)頻率響應,突出顯示了在保持系統(tǒng)設置和輸出電容值相同的情況下改變輸出電容器 ESR 的效果。具有 1 歐姆 ESR(圖 1)的電容器是穩(wěn)定的,而具有非常低的 0.01 歐姆 ESR(圖 2)的電容器是不穩(wěn)定的;3 歐姆的較大 ESR(圖 3)也不穩(wěn)定。
開關(guān)電源的一條經(jīng)驗法則——每當閉環(huán)增益大于或等于 1 時,閉環(huán)相位永遠不會達到 360 度的 30 度以內(nèi)——在這里也非常適用。
大多數(shù)線性穩(wěn)壓器不提供任何可訪問的點來測量穩(wěn)定性曲線。相反,芯片制造商提供了一些圖表,顯示預期的穩(wěn)定性區(qū)域與輸出電容器的 ESR 值的關(guān)系。圖 4 顯示了輸出電容器 ESR 不穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域的典型差異,具體取決于輸出穩(wěn)壓器電壓隨輸出電流變化的情況。圖 5 顯示了基于輸出電容值的不穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域的差異。
負載響應時間通常與 IC 穩(wěn)定性產(chǎn)品區(qū)域成反比變化。環(huán)路響應時間已減慢,以提供更好的穩(wěn)定性。外部輸出電容器將補償大多數(shù)瞬態(tài)要求。請務必提供足夠大的電容器來滿足您的要求。使用典型的電容器方程:
根據(jù)系統(tǒng)負載大小、瞬態(tài)時間和系統(tǒng)允許的輸出電壓降來計算電容器值。
無論是在穩(wěn)壓器加載時還是在待機狀態(tài)下,靜態(tài)電流都已成為一個重要的指標。從歷史上看,靜態(tài)電流并不是一個問題。隨著汽車中電子含量的增加,目前使用的電池和交流發(fā)電機已經(jīng)達到了極限。半導體制造工藝會對靜態(tài)電流量產(chǎn)生影響,我們可以在兩種不同制造類型制造的產(chǎn)品的典型性能特征中看到這種影響。圖 6 顯示了采用雙極工藝制造的器件,而圖 7 顯示了采用 BCD 工藝制造的器件。請注意采用 BCD 工藝制造的器件的扁平線特性。
雙極工藝導致器件在較高負載下需要增加靜態(tài)電流。當在較高負載下運行時,采用 BCD 工藝制造的器件將在低負載下保持低靜態(tài)電流。結(jié)果是對模塊靜態(tài)電流限制的貢獻較低。
節(jié)流器
您可以在節(jié)流操作中使用看門狗調(diào)節(jié)器??撮T狗調(diào)節(jié)器通過向微處理器發(fā)送喚醒信號來節(jié)省電流。當微處理器指令啟動時,微處理器將并發(fā)信號發(fā)送回電壓調(diào)節(jié)器,通知調(diào)節(jié)器必須保持調(diào)節(jié)。一旦微處理器完成其命令和指示,返回調(diào)節(jié)器的反饋信號就會被移除??撮T狗調(diào)節(jié)器識別該事件并向微處理器發(fā)送回復位信號,將其關(guān)閉,如圖 8 所示。終結(jié)果是電流消耗減少,直到再次需要微處理器的工作為止。
IC 穩(wěn)壓器領(lǐng)域的另一種新的省流方案是暫時關(guān)閉不需要的電路。調(diào)節(jié)器中不立即需要的任何部分都可以斷電并以脈沖開/關(guān)模式運行。
該方案適合寒冷或室溫下的輕負載條件。較高溫度下漏電流的增加(通過環(huán)境溫度升高或片上電源引起的芯片溫度升高而達到)使器件的正常運行變得復雜。
人們對雙穩(wěn)壓器(一個芯片上有兩個獨立的輸出穩(wěn)壓器)的興趣與日俱增。現(xiàn)在一些微處理器需要雙電源電壓。個電源(通常是較低電壓)為內(nèi)核供電,第二個電源為 I/O 供電。降低電壓可以將更多晶體管擠在芯片上,而不會熔化器件或超出其封裝的熱限制。
雖然雙線性穩(wěn)壓器的用途并不是作為靜態(tài)電流節(jié)省工具(更多的是為了方便、節(jié)省空間和成本),但它們有助于系統(tǒng)中的節(jié)能和功率分配。電流節(jié)省是雙穩(wěn)壓器內(nèi)通用電路(例如帶隙參考電壓和電流源偏置串)的結(jié)果。
在單個 IC 上集成多個穩(wěn)壓器有利于方便、節(jié)省空間和成本,但受到 IC 中允許功率的限制。
封裝是另一個經(jīng)過改進的領(lǐng)域,可以在單個封裝中消耗更多功率。通過使用金屬引線框架材料(裸露焊盤),熱阻得到了改善。與塑料連接相比,金屬連接可以更有效地散熱。圖 9 顯示了典型的裸露焊盤 (epad) 封裝。該器件采用 300 mil、16 引線 SOW epad 封裝,epad 尺寸為 150 mil x 184 mil。
超過制造商的溫度限制(結(jié)點處通常約為 150°C/302°F)可能會立即損壞穩(wěn)壓器,或者由于硅、焊線和塑料封裝的不同熱膨脹系數(shù)引起的應力而導致早期故障。隨著溫度升高,故障率呈指數(shù)級上升。目前正在研究提高這些電氣元件可接受的工作溫度。
開關(guān)穩(wěn)壓器
當我所描述的所有新的線性穩(wěn)壓器選項都被使用時,開關(guān)穩(wěn)壓器的使用將會增加。由于外部元件數(shù)量較多,開關(guān)器比線性穩(wěn)壓器更昂貴。他們還承擔故障排除的隱性成本。就其本質(zhì)而言,切換器具有需要電磁干擾方面的技能和教育才能克服的特性。
毫無疑問,開關(guān)穩(wěn)壓器比 LDO 更高效。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率可以達到 90%,而 LDO 的效率為 36%,如表 1 所示。圖 10 顯示了降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的典型效率曲線。
線性穩(wěn)壓器的功率損耗就是負載電流(忽略任何靜態(tài)電流)乘以輸入和輸出之間的電壓差。圖 11 中的示例顯示了穩(wěn)壓器上的 9V 壓降,因此效率達到 35.7%,與負載無關(guān),但取決于輸入電壓,如下例所示。
提高線性穩(wěn)壓器效率的方法是降低其兩端的電壓。您可以通過在線性穩(wěn)壓器旁邊使用開關(guān)穩(wěn)壓器(如圖 12 所示)來實現(xiàn)此目的,為線性穩(wěn)壓器創(chuàng)建 6V 直流輸入(與上一示例中的 14V 直流輸入相比)。開關(guān)器件可以有效地降壓至更易于管理的電壓,并將該電壓分配給其他線性穩(wěn)壓器運行。這種布置提高了切換器的效率,同時節(jié)省了線性調(diào)節(jié)器的成本。消除線性穩(wěn)壓器與電池的連接可以進一步降低成本,因為可以使用較低電壓的部件。
如圖 13 所示,提高的效率使整體系統(tǒng)效率達到 74.7%,而圖 11 中的效率為 35.7%。
減少電流消耗的另一種方法是將開關(guān)穩(wěn)壓器的功能與線性穩(wěn)壓器相結(jié)合。開關(guān)穩(wěn)壓器在驅(qū)動其設計負載時效率。然而,當輸出電壓負載不重時,保持開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)所需的電流變得更多是一種負擔,而不是一種屬性。在這些條件下,線性穩(wěn)壓器可以更加高效。
圖 14 顯示了能夠在線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的工作模式之間切換的器件。該模塊分為兩個獨立運行的部分:部分(綠色)支持系統(tǒng)用作降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。第二部分(黃色)支持系統(tǒng)用作線性調(diào)節(jié)器。與溫度無關(guān)的參考電壓在兩個部分之間共享。工程師可以根據(jù)輸出負載選擇更改模式,以獲得效率或 EMI 要求。在非常輕的負載下,線性穩(wěn)壓器的效率會更高。負載較重時,開關(guān)穩(wěn)壓器的效率會更高。線性穩(wěn)壓器的EMI性能始終優(yōu)于開關(guān)穩(wěn)壓器。
開關(guān)穩(wěn)壓器的其他應用涉及啟動汽車。對于現(xiàn)代汽車安全系統(tǒng),必須驗證密鑰是否屬于其嘗試啟動的車輛。發(fā)動機啟動時的重負載會導致電池電壓嚴重下降,這不得導致驗證中涉及的微處理器斷電或重置。
為了實現(xiàn)這一點,您需要一個可以為系統(tǒng)提供升壓以及降壓或降壓電壓的設備。實現(xiàn)此目的的一種方法是使用 SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器),如圖 15 所示。電容器 C1 必須能夠承受該系統(tǒng)的正常高壓操作限制(就反激脈沖而言)以及通過電感器 L1 看到的高壓負載突降脈沖(以及其他瞬態(tài))。這意味著需要一個高壓電容器,并且為了保持效率,電容器的 ESR 值較低,因為有高電流流過該組件。一些工程師對流過電容器的高電流感到不舒服??赡軙l(fā)生過熱,導致可靠性問題或電容器劣化(短路或開路)。
該問題的另一個解決方案是使用帶有雙模轉(zhuǎn)換器的直通區(qū)技術(shù)。這樣可以在降壓和升壓操作模式之間實現(xiàn)平滑過渡,同時創(chuàng)建所需的降壓/升壓操作。如圖 16 所示。
在正常運行中,晶體管 Q1 作為降壓開關(guān)穩(wěn)壓器運行,同時控制電路保持 Q2 截止。當 Vbat 的輸入電壓下降時,Q1 100% 導通,同時 Q2 將電路用作升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。電阻器 Rpassthrough 有助于設置操作,通過該操作有一個直通區(qū)域,通過該區(qū)域可以稍微改變調(diào)節(jié)的輸出電壓,以在切換操作模式時提供平滑過渡。
目前的汽車系統(tǒng)中可用的電力是有限的。從工程角度來看,開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器具有效率。開關(guān)穩(wěn)壓器將實現(xiàn)集成的功能,但也會增加系統(tǒng)的成本。汽車消費者會為多的功能(開關(guān))付費還是滿足于較少的功能(線性穩(wěn)壓器)?
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