如何通过主动输出放电功能来保护敏感和昂贵的负载

本文作者：

凌力尔特公司

电源产品部

高级产品市场工程师

Steve Knoth

背景信息

线性稳压器普遍用于很多现代电子系统中。尽管低压差 (LDO) 线性稳压器极少成为最昂贵的系统组件，但是从成本/效益角度来看，这种稳压器却常常是最有价值的组件之一。LDO 的其中一个任务是保护下游负载，避免因严酷的环境条件而损坏，例如因温度偏移、电压瞬态、电源噪声、电压反向、电流浪涌以及 EMI 或 ESD 而被损坏。简言之，其设计必须坚固可靠，并包含减轻环境影响所需的所有保护功能，同时保护负载。很多低成本 LDO 线性稳压器不包含必要的保护功能，因此无法起到保护作用，常常不仅引起稳压器损坏，还导致负载受损。

对于需要保护昂贵和敏感的负载而言，图像传感器系统就是一种典型的例子。图像传感器通常包含尖端、昂贵的数字 IC，这些 IC 获取图像，并将其直接转换成数字图像。两种最流行的图像传感器是电荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像仪。诸如内窥镜、安防摄像头等各种设备都包含图像传感器。

有些应用要求在通电和断电时控制电源周期。在多轨系统中，FPGA、ASIC、DSP、微处理器以及其他数字 IC 要求多个电压轨必须以特定顺序启动和关断。否则，这些 IC 就有可能损坏，或者系统的加电复位逻辑可能出现讹误。如果没有正确排序，就可能产生灾难性后果。对于必须控制输出状态的系统而言，如军事、航空电子或航天等高可靠性系统都是非常典型的例子，尤其是如果需要电源电压不断循环接通和断开时。

LDO 可以运用主动输出放电功能来满足系统的断电要求，主动输出放电功能可使 LDO 的输出快速地放电，而不必依靠 LDO 的负载或 LDO 的电阻分压器给输出放电。如果去掉输入电压，或者如果启动关断功能，那么具主动输出放电功能的 LDO 可以由一个 NMOS 开关快速拉低输出电压。具主动输出放电功能的器件之主要优势是，断电时，输出处于已知状态。无论负载状态如何，这类器件的输出始终按照预期快速放电。就关断时要求准确电源排序的应用 (例如: 图像传感器和微控制器) 而言，，能够主动输出放电是很重要。

低压差线性稳压器 (LDO) 与其他稳压器的比较

低压降压型转换和稳压可以通过多种方法实现。开关稳压器在很宽的电压范围内以高效率运行，但需要磁性组件和电容器才能工作，因此占用的电路板空间相对较大。充电泵 (或开关电容器电压转换器) 可用来实现更低压的转换，但是输出电流能力受限，而且需要外部电容器才能工作和稳定。低压差线性稳压器通常效率较低，但产生的噪声也较小，而且更易于用来实现降压型应用。不过，现代设计方法和芯片制造工艺已经使低压差线性稳压器 (LDO) 能够进一步深入降压型应用领域了。现在，低压差线性稳压器具备超快瞬态响应、低压差电压、低压运行 (输出通常低至 0.6V)、大输出电流能力，以及能够用单电源工作。

目前一代快速、大电流、低压数字 IC (例如: FPGA、DSP、CPU 和 ASIC) 对于给内核及 I/O 通道供电的电源要求很严格。不过，从供电角度考虑，这些数字 IC 不够稳定。传统上，一直用高效率开关稳压器给这类器件供电，但是开关稳压器可能有潜在的噪声干扰问题以及瞬态响应和布局限制。因此， LDO作为可以选择的器件，在这类应用以及其他低压转换系统中，正在找到用武之地。由于最近的产品创新和功能增强，趋势正在改变，新的 LDO 几乎不需要在性能上做出折中。

LDO 设计挑战

大量工业标准线性稳压器用单个电压源以低压差运行，但是大多数稳压器不能同时提供电压和输出噪声非常低的转换 (输出低至 0.6V)、很宽的输入 / 输出电压范围和广泛的保护功能。PMOS LDO 能够用单个电源以低压差运行，但是受到通路晶体管 VGS 特性的限制，输入电压不能很低。基于 NMOS 的器件提供快速瞬态响应，但是需要两个电源来偏置该器件。NPN 稳压器提供很宽的输入和输出电压范围，但是需要两路电源电压或较大的压差。相比之下，PNP 稳压器如果架构设计得当，可以用单个电源实现很低的压差、很高的输入电压、低噪声和低压转换，而且能够提供可靠的保护。

随着工艺技术节点的不断缩小，现代数字 IC 需要以更低的电压运行。就很多现有输入电压轨而言，以较大电流和更低的输出电压运行意味着，从线性稳压器的功耗会增大。增加的功耗直接转换成了热量。因此，需要采用最新封装方法，以最大限度减少稳压器内部的温度上升，并限制应用的热量问题。此外，能够以低压差运行的线性稳压器 (最大限度减小输入和输出电压之差，同时稳压器保持