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RT9193于便携设备中的应用及LDO选择方法

输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力是在选择低压降线性稳压器(LDO) 时,需要考虑的基本问题。但是,便携式应用需要考虑更多问题。接地电流或静态电流 (IGND 或 IQ)、电源波纹抑止比 (PSRR)、噪声与封装大小通常是为便携式应用决定最佳 LDO 选择的要素。RT9193是为携带型电池供电设备设计的一款低杂讯、低压差、低静态电流的线性稳压器。RT9193在1mA的负载时DROPOUT电压仅为1mV,在150mA负载时 DROPOUT电压低于200mV。RT9193还具有极低的静态电流(典型值<100uA),当ENPIN=Low时更可以使晶片的Standby电流低于1uA,延长电池的工作时间。外加Bypass电容可以极大的抑制杂讯,PSRR高达70dB(Typ)。RT9193电压输入范围为2.5V-5.5V,输出电压范围1.5V-4.75V,工作电流为300mA。


输入、输出以及降低电压

选择输入电压范围可以适应电源的LDO。下表列出了便携式设备所采用的、流行的电池化学物质的电压范围。

在确定 LDO 是否能够提供预期输出电压时,需要考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和,即 VIN > VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的电压以下,则我们说 LDO 出现"压降",输出等于输入减去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以负载电流。

需要注意压降时的性能变化。驱动旁路晶体管的误差放大器完全打开或者出于"待发状态"(cocked),因此不产生任何环路增益。这意味着线路与负载调节很差。另外,PSRR 在压降时也会显著降低。

选用可提供预期输出电压的 LOD 作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项,外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。利用可调 LDO 可以设置输出,以提供内部参考电压,其一般为 1.2V 左右,只需把输出连接到反馈引脚。请与厂商确认是否具备该功能。


负载电流要求

通考虑负载需要的电流量并据此选择 LDO。请注意:额定电流为比如 150mA 的 LDO 可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范,或者咨询有关厂商。


电池电压

电池的化学成分 电压范围
锂离子/锂聚合物 2.7~4.2V(额定3.6V)
NiMH/NiCd 0.9~1.5V(额定1.2V)
AA/AAA 0.9~1.5V(额定1.5V)


封装与功耗

便携式应用本质存在空间限制,因此解决方案的大小至关重要。裸片可以最小化尺寸但是缺乏封装的诸多优势,如:保护、行业标准以及能够被现有装配架构轻松采用等特性。芯片级封装 (CSP) 能在提供裸片的尺寸优势的同时还可以带来封装的许多优势。

在无线手持终端市场需求的推动下,CSP产品正不断推陈出新。例如,采用0.84 x 1.348-mm CSP的德州仪器 (TI) 200mA RF LDO预计将于9月份上市,其采用可实现轻松装配以及高板级可靠性的技术。

其他小型封装包括流行的3x3mm SOT-23、小型2.13x2.3mm SC-70以及亚1毫米高度封装 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及无引线四方扁平封装 (QFN)。由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫,QFN 因而可提供更好的散热特性。

请注意不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 进行计算。一般来说,封装尺寸越小,功耗越小。但是QFN封装可以提供极佳的散热性能,这种性能完全可与尺寸是其1.5~2倍的众多封装相媲美。


LDO拓扑与IQ

为了最大化电池的运行时间,需要选择相对于负载电流来说静态电流IQ较低的LDO。例如,考虑到IQ 只增加0.02%的微不足道的电池消耗,在100mA负载情况下,一般采用200μA的IQ比较合理。

另外,还需要注意的是,由于电池放电特性,某些情况下压降会对电池寿命产生决定性影响。由于碱性电池放电速度较慢,其电源电压在压降情况下可以提供比NiMH电池更多的容量。必须在 IQ 和压降之间仔细权衡,以便在电池寿命期间获得最大的容量,因此,较低的IQ并不能始终保证长电池寿命。

需要注意IQ 在双极拓扑中的表现。IQ 不但随负载电流变化很大,而且在压降情况下会有所增加。

另外,需要注意在数据表中对IQ 是如何规定的。某些器件是在室温条件下规定的,或者只提供显示IQ与温度关系的典型曲线。尽管这些情况有用,但是并不能保证最大的静态电流。如果IQ 比较重要,则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证IQ 的器件,并且需要选择MOS类旁路器件。


输出电容器

典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO,可以降低尺寸与成本,另外还可以完全消除这些元件。请注意,利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选,因为它们价格低而且故障模式是断路,相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。请注意,输出电容器的等效串联电阻 (ESR) 会影响其稳定性,陶瓷电容器具有较低的ESR,大概为10豪欧量级,而钽电容器ESR在100豪欧量级。另外,许多钽电容器的ESR随温度变化很大,会对 LDO性能产生不利影响。如果温度变化不大,而且电容器和接地之间串联适当的电阻(一般200m),可以取代陶瓷电容器而使用钽电容器。需要咨询LDO厂商以确保正确的实施。


RF与音频应用

最后,考虑便携式应用中所采用的、专用电路的功率要求。

RF电路(包括LNA(低噪声放大器)、升压/降压转换器、混频器、PLL、VCO、IF放大器和功率放大器),需要采用具有低噪声和高PSRR的LDO。在设计现代收发系统时应非常小心,以保证低噪声和高线性。

电源噪声会增加VCO的相位噪声,而且会进入接收或发送放大器。在W-CDMA等流行手机技术对频谱再生和邻道功率提出严格要求的情况下,进入放大器的基/栅或收集器/漏极电源的极少量电源噪声就会产生邻道噪声或假信号。

为了满足手机、MP3、游戏以及多媒体PDA应用等便携式设备中的音频需求,可能需要300~500mA的LDO。而且,为了获得良好的音频质量,这种LDO在音频频率(20Hz~20kHz)时应该是低噪声并可提供高PSRR。

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