選擇手機(jī)使用的線性穩(wěn)壓器

概述
 
　　今天，移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的組成部分。它們?yōu)槲覀兲峁┝烁鞣N好處，如安全（保護(hù)汽車拋錨后駕駛員），娛樂（提供最新的比賽結(jié)果），便利（緊急聯(lián)絡(luò)和社交）。但就用戶的感受來說，移動(dòng)設(shè)備本身并不具備高的價(jià)值。

　　今天，一旦客戶與運(yùn)營(yíng)商簽好合同，大多數(shù)手機(jī)的出售價(jià)格都很低?？蛻舻某杀臼呛贤掷m(xù)的時(shí)間，而不是手機(jī)本身。所以客戶把手機(jī)本身看作一種可以拋棄的東西，可以換成最新機(jī)型、顏色和應(yīng)用。但這種認(rèn)識(shí)略有不妥，因?yàn)槭謾C(jī)是花費(fèi)數(shù)百萬人的多年努力才推向市場(chǎng)的一種工程成就。

　　某種意義上，我們可以將線性穩(wěn)壓器作相似的類比，但這是對(duì)手機(jī)的設(shè)計(jì)工程師而言。高性能的線性穩(wěn)壓器中結(jié)合了優(yōu)秀的 IC 設(shè)計(jì)、封裝和制造，能為下一代手機(jī)設(shè)計(jì)提供先進(jìn)而必要的性能。

　　線性穩(wěn)壓器在手機(jī)系統(tǒng)中常被當(dāng)作是“創(chuàng)可貼”式的東西，經(jīng)常在產(chǎn)品開發(fā)的最后階段才作出選擇。設(shè)計(jì)工程師更關(guān)注如何使復(fù)雜的 BB 或 RF ASIC 工作，而不是要選擇哪種功率/性能的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器經(jīng)常要靠廣告彩頁(yè)的規(guī)格宣傳才能賣出，而不是靠數(shù)據(jù)單內(nèi)頁(yè)的核心特性。

　　規(guī)格也經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)作用，在數(shù)據(jù)單首頁(yè)大肆宣傳的都是主要參數(shù)，但這種方式可能會(huì)讓人誤解，并且這些參數(shù)不與其它參數(shù)相聯(lián)系就沒有價(jià)值。特別是靜態(tài)電流。這種情況的出現(xiàn)是由于線性穩(wěn)壓器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，因?yàn)閺S家意識(shí)到工程師們的時(shí)間都很緊張，所以紛紛設(shè)法讓他們能多看一眼自己的器件。

　　此外，沒有一種表述信息的標(biāo)準(zhǔn)。不同的級(jí)別、溫度和負(fù)載信息只會(huì)使設(shè)計(jì)工程師更加困惑。

線性穩(wěn)壓器的分類和與電池技術(shù)的關(guān)系
 
線性穩(wěn)壓器可以歸為三組類型：

　　通用、數(shù)字和模擬。根據(jù)不同應(yīng)用的性質(zhì)，所用線性穩(wěn)壓器的特性也要隨之變化。線性穩(wěn)壓器在參數(shù)方面要不斷地進(jìn)行折衷。我們確定器件類型的方式取決于應(yīng)用設(shè)計(jì)中的最重要的規(guī)格。

　　由于鋰電池的有更高的單位重量能量，并且沒有鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，便攜設(shè)備的供電已經(jīng)進(jìn)入鋰電池時(shí)代。鎳鎘電池仍會(huì)在便攜設(shè)備中繼續(xù)存在下去，但只在需要大電流負(fù)荷的應(yīng)用中，如電動(dòng)工具等。因?yàn)殒囨k電池內(nèi)阻較低。

　　鋰電池是手機(jī)中使用的電池技術(shù)。并且這種技術(shù)的發(fā)展速度并沒有與整流電池的半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展同步。唯一的重大進(jìn)展是鋰聚合物電池的出現(xiàn)，它可以裝到移動(dòng)設(shè)備的小型外殼中。唯一可望實(shí)現(xiàn)的替代品是 Power cell，但近期看來不會(huì)有所作為，特別是這種電池的副產(chǎn)物是水，這在任何電子產(chǎn)品中都是不受歡迎的。由于對(duì)移動(dòng)設(shè)備等待時(shí)間和通話時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，當(dāng)前的趨勢(shì)是不間斷地（也許不太公平）推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)與體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以滿足不斷增加的產(chǎn)品需求。并且由于移動(dòng)設(shè)備不僅需要考慮通話時(shí)間和等待時(shí)間，還需要考慮游戲時(shí)間，于是更加強(qiáng)了這一趨勢(shì)。隨著多媒體和互聯(lián)網(wǎng)功能成為流行時(shí)尚，線性穩(wěn)壓器需要越來越低的靜態(tài)電流，從而使 IC 工程師作出更多的設(shè)計(jì)折衷。今后成功的產(chǎn)品組合都要具備多種因素，如管理、開發(fā)體系結(jié)構(gòu)甚至改善這些折衷的能力。當(dāng)定義線性穩(wěn)壓器的性能時(shí)，這種更低的靜態(tài)電流需求正在改變著所有線性穩(wěn)壓器的特性。

線性穩(wěn)壓器揭秘

　　自從早期的齊納二極管以來，線性穩(wěn)壓器走過了漫長(zhǎng)的道路?，F(xiàn)代的線性穩(wěn)壓器采用了許多巧妙的體系結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)性的需求?；旧?，一個(gè)線性穩(wěn)壓器就是一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)傳輸晶體管。運(yùn)算放大器使用兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。它們是內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)，和輸出端的一個(gè)電阻分壓器。在穩(wěn)壓過程中，電阻分壓網(wǎng)的電壓值被反饋給運(yùn)算放大器，并與帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行比較。傳輸晶體管根據(jù)比較結(jié)果決定導(dǎo)通的時(shí)間。這是一個(gè)基于兩個(gè)主要極點(diǎn)的閉環(huán)系統(tǒng)，即誤差放大器/傳輸晶體管的內(nèi)極點(diǎn)，以及輸出電流要求與輸出電容 ESR 的外部極點(diǎn)。對(duì)兩個(gè)主要極點(diǎn)的處理會(huì)影響器件的性能，也是回路穩(wěn)定性的主要因素。

進(jìn)一步理解線性穩(wěn)壓器的分類
 
　　對(duì)線性穩(wěn)壓器有一個(gè)穩(wěn)定不變的需求，那就是越來越高的效率。用另一種指標(biāo)說就是減小靜態(tài)電流和正向壓降。正如生活中沒有免費(fèi)的午餐一樣，當(dāng)我們提高線性穩(wěn)壓器的某一個(gè)參數(shù)值時(shí)，它不可避免會(huì)影響到其它的特性。

　　通用線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)是要提供最好的整體性能。各種特性的權(quán)重基本是相當(dāng)?shù)摹３杀竞褪袌?chǎng)接受程度決定了所選擇的封裝類型。

　　數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)用于支持各種主要的移動(dòng)設(shè)備數(shù)字核心部分?，F(xiàn)代 DSP 和微控制器必須工作在高效狀態(tài)下，還經(jīng)常有大電流需求。尤其是隨著移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用不斷增加及從基本的調(diào)制解調(diào)器向豐富的多媒體擴(kuò)展和轉(zhuǎn)移，更進(jìn)一步推動(dòng)了當(dāng)前的需求。我們不再需要考慮用戶通話和等待時(shí)間，而是要考慮玩的時(shí)間（游戲/互聯(lián)網(wǎng)）。新興的 CDMA 手機(jī)需要大量的糾錯(cuò)和濾波功能。所有這些都給數(shù)字處理核心的軟件裝載施加了極大的壓力。這些都體現(xiàn)了對(duì)電源管理器件的需求。這些特性逐步成為對(duì)數(shù)字負(fù)載重要的特性。它們是線路與負(fù)載調(diào)整/瞬態(tài)特性。應(yīng)該說，這不是僅有特性，而是許多重要特性中的兩個(gè)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的首頁(yè)經(jīng)常不列出這些參數(shù)。它們一般用兩種方式表述，V/I 偏差的百分?jǐn)?shù)值或 V/I 實(shí)際值。這些值都應(yīng)該參考到負(fù)載電流或輸入電壓的變動(dòng)。

　　由于移動(dòng)設(shè)備的性質(zhì)，會(huì)有很長(zhǎng)的時(shí)間不需要使用核心部分。如果沒有通話、搜索基站或使用多媒體功能，則電源管理設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)為隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)只吸入很少電流，但當(dāng)需要時(shí)可快速起動(dòng)。在休眠模式期間，線性穩(wěn)壓器的所有主要功能都被關(guān)斷，包括帶隙功能。及時(shí)快速起動(dòng)而不引起過沖的特性非常關(guān)鍵。過沖以及線性穩(wěn)壓器處理過沖的能力是與靜態(tài)電流相聯(lián)系的。在靜態(tài)電流減少時(shí)，要保持或提高這一特性就是一種艱巨的工作。

　　數(shù)字電路要求快速響應(yīng)，同時(shí)仍要求相對(duì)于線路與負(fù)載瞬變的干擾要小。此時(shí)需要的是快速驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電容結(jié)的能力，以及完成這一工作的有效電流。當(dāng)進(jìn)一步降低有效驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，線性穩(wěn)壓器的反應(yīng)能力就會(huì)下降。

　　假定設(shè)計(jì)了一個(gè)足夠快的電路，其中存在過沖。有一種解決方式是用電容來抑制過沖。但結(jié)果是電容負(fù)載增加，靜態(tài)電流增大。

　　模擬線性穩(wěn)壓器主要用于驅(qū)動(dòng)空氣接口(air interface)?？諝饨涌谑潜銛y通信中的薄弱之處。其信號(hào)對(duì)噪聲和衰減均高度敏感。因此，當(dāng)考慮使用一個(gè)模擬線性穩(wěn)壓器時(shí)，重要的是器件本身不會(huì)進(jìn)一步引入噪聲，并能抑制其它噪聲源。模擬線性穩(wěn)壓器的主要品質(zhì)因數(shù)是噪聲（以 Vrms 度量）和抑制（電源抑制比 PSRR，單位為 dB）。帶隙基準(zhǔn)與傳輸晶體管是噪聲的主要來源。增加一個(gè)外接旁路電容可以降低這種噪聲，但這也增加了成本和體積。領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠家如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司采用另一種辦法，即在硅片內(nèi)增加內(nèi)置電容。晶體管級(jí)的噪聲實(shí)際上由兩個(gè)因素組成，熱噪聲和閃爍噪聲。電子互相碰撞以及在 Si02 級(jí)被捕獲是兩種噪聲產(chǎn)生的原因。PSRR 是器件抑制有害噪聲的能力，這些噪聲由其它穩(wěn)壓元件或噪聲源產(chǎn)生。這在模擬環(huán)境中特別重要，因?yàn)橐话銇碚f，模擬器件比數(shù)字器件對(duì)噪聲更敏感。

　　噪聲本身對(duì)地電流有直接的相關(guān)性，因?yàn)樗蔷w管驅(qū)動(dòng)的一個(gè)系數(shù)。MOSFET 中的驅(qū)動(dòng)電流越低，則閃爍噪聲和熱噪聲指標(biāo)就越差，較低的驅(qū)動(dòng)電流意味著較低的靜態(tài)電流。

　　現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)工程師要面臨多種折衷的抉擇，但不會(huì)都取最壞情況。用已有的技術(shù)可以設(shè)計(jì)出更智能的器件，以補(bǔ)償不規(guī)律和難以預(yù)期的系統(tǒng)需求。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司發(fā)明了一些測(cè)量輸出、輸入電流/電壓，以及提高器件穩(wěn)定性水平的方法，同時(shí)減小了地電流和正向壓降。通過在硅片中使用 MOSFET 的電容效應(yīng)以及其它技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)原外置功能的集成化，如旁路電容和輸入、輸出電容等。因而在保持或增強(qiáng)性能的同時(shí)進(jìn)一步減少了整機(jī)材料成本和外形尺寸。

線性穩(wěn)壓器的未來
 
　　大多數(shù)現(xiàn)代移動(dòng)通信設(shè)備都被迫實(shí)現(xiàn)各個(gè)外接元件的集成化。有一種看法是，分立的線性穩(wěn)壓器將被用作 PMU（電源管理單元）。今天的電源管理單元使用了許多傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器。為了對(duì)外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化，電源管理單元經(jīng)常是專為客戶定制開發(fā)的混合信號(hào) ASIC。

　　手機(jī)功能基本上分為兩個(gè)部分：調(diào)制解調(diào)器核心和多媒體/用戶體驗(yàn)核心。調(diào)制解調(diào)器核心將繼續(xù)集成化，并成為可用于所有未來開發(fā)的固定平臺(tái)。PMU ASIC 將成為解決方案的一個(gè)組成部分。但 PMU 自身有功能弱點(diǎn)。假如由于某種原因要改變功能，則需要對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行一次再制循環(huán)(respin)。這會(huì)造成昂貴的費(fèi)用，還影響到產(chǎn)品上市時(shí)間。耽誤的上市時(shí)間也可以看作金錢的損失，而不是開支。即使采用固定的核心也會(huì)有靈活性的需求，因此，在集成所有電源管理功能時(shí)要特別小心。將某些線性穩(wěn)壓器做成外接式可以增加這種靈活性。另外，單一內(nèi)核中多器件的驅(qū)動(dòng)電流存在一系列復(fù)雜問題，其中之一就是散熱問題。多媒體核心/用戶體驗(yàn)核心將成為下一代移動(dòng)設(shè)備的主要需求。電流需求在不斷增長(zhǎng)，但仍需遵守物理定律。這些散熱要求也會(huì)推動(dòng)下一代電源管理分區(qū)的發(fā)展。

　　有跡象表明，未來的許多電源管理功能都將圍繞直流－直流降壓穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)，后調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器可以提供這種支持。由于輸入電壓快速接近 1V，意味著要開發(fā)出更低輸入電壓的線性穩(wěn)壓器。另外，隨著工藝技術(shù)按照莫爾定律的發(fā)展，未來數(shù)字核心的電壓將低于 1V，輸出電壓也在持續(xù)降低。輸出電壓的下降帶動(dòng)了線性穩(wěn)壓器的開發(fā)，為線性穩(wěn)壓器在便攜式器材中的應(yīng)用帶來新的市場(chǎng)。這樣的線性穩(wěn)壓可以直接用于單 1.2V 電池。

　　不再需要分立的線性穩(wěn)壓器，而是被集成到硅片中，這種情況只是今天的系統(tǒng)需求，而不是未來的市場(chǎng)需求。隨著封裝、工藝與系統(tǒng)進(jìn)一步推動(dòng)電源管理器件的性能與需求，電源管理器件的作用和表現(xiàn)也將發(fā)生變化，以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。手機(jī)設(shè)計(jì)者將根據(jù)多種品質(zhì)因數(shù)、應(yīng)用范圍和使用方便性來選擇產(chǎn)品。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體早已開始研究這些變化的系統(tǒng)需求，并正在開發(fā)新的體系結(jié)構(gòu)、工藝與封裝，維持著在市場(chǎng)上的重要領(lǐng)導(dǎo)地位。

 
如欲進(jìn)一步查詢有關(guān)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體電源產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/網(wǎng)頁(yè)。