如何将CMOS LDO应用于便携式产品中
时间:01-15
来源:电源系统
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随着便携式产品越来越多,产品的功能,性能的提升,它们对电源管理的要求也更高了,这里跟大家探讨的是CMOS LDO在便携式产品中的应用。便携式产品在大多数情况下是靠电池供电,内部(即电池后端)的电源管理有DC/DC和LDO两种实现方式,各有优缺点。正常工作时,DC/DC模块能提供给系统稳定的电压,并且保持自身转换的高效率,低发热。但在一些应用条件下,比如工作在轻载状况下或是给RF供电时,DC/DC的静态电流及开关噪声就显得比较大了, CMOS LDO正好可以满足在这些应用条件下的供电要求,CMOS LDO有着极低的静态电流,极低的噪声,较高的PSRR(电源纹波抑制比),以及较低的Dropout Voltage(输入输出电压差)。
CMOS LDO产品的特点
1.CMOS LDO的自身功耗:
CMOS LDO在正常工作时,存在自身的功耗,可以大概表示为:
Pd=(Vin-Vout)×Iout+Vin×Iq,
由这个式子可以看出,重载以及大输入输出电压差都会增大Pd,从而降低LDO的转换效率。然而当Iout=0时,Iq决定LDO的功耗,而CMOS LDO的Iq仅有1uA~80uA,使得LDO自身几乎没有功耗。
如在TCXO(温度补偿晶振)电源中,其只需要5mA的负载电流,Vout固定,若能控制Vin的值仅稍大于Vout+Vdrop,(一般地,CMOS LDO的Vdrop在Iout=5mA条件下,其值为5mV~10mV),则LDO的自身功耗Pd在不到1mW,这取决于方案设计工程师在应用电路中的设计。
现在更多的工程师,将DC/DC与LDO共同设计进电源管理方案中,因为他们发现,开关型转换器存在一定的噪声干扰和高静态电流等问题,这种情况在处理器供电应用中尤为突出。开发商为了让处理器在不执行指令时保持极低的电能消耗,往往把产品设置为"深度睡眠模式"和"唤醒工作模式"两种状态。
而如果在"深度睡眠模式"下仍然采用开关型转换器,其噪声和静态电流性能反而不如LDO优越。基于这种情况,已经有厂商针对处理器(例如基带处理器)供电应用推出了LDO与开关型转换器双模系统。当处理器处于"唤醒工作模式"时,系统通过芯片内部开关切换成PWM模式,LDO输出为高阻态,为处理器提供较高的电压和较大的电流;而当处理器处于"深度睡眠模式"时,系统通过芯片内部开关切换成LDO模式,SW输出为高阻态,为处理器提供较低电压和微小电流。
2.CMOS LDO的稳定性:
典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。LDO稳定性与输出电容的ESR密切相关,选择稳定区域比较大的LDO有利于系统的设计,并可以降低系统板的尺寸与成本。利用较低ESR的电容一般可以全面提高电源纹波抑制比、噪声以及瞬态性能。
陶瓷电容器由于其价格低而且故障模式是断路,通常成为首选;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ESR 会影响其稳定性,陶瓷电容器具有较低的ESR,大概为10mΩ量级,而钽电容器ESR在100 mΩ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。BCD的CMOS LDO产品采用ESR范围在10mΩ~100Ω的输出电容就可以满足全负载范围内的稳定性。
3.电路简单及价格低:
LDO的应用电路都比较简单,除了LDO自身以外,只需要2颗电容,个别产品还需要一颗bypass电容。总共只需要3~4颗原件。如此简单的电路在成本也就相应很低了。
4.电路所需PCB面积小:
CMOS LDO的Cin和Cout大多小于等于2.2uF,这样的容值,0603封装就可以做到了,LDO的封装一般只是SOT-23或SC-70,整个电路在PCB上的面积只有20mm2~30mm2,极大的节省了电路板的空间。
CMOS LDO产品的应用
由于CMOS LDO产品的拓扑结构决定了其较低静态工作电流的特性,使得其非常适合在电池供电的手持设备系统中应用。下面以PHS手机为例来说明CMOS LDO的应用和选择。
1.Baseband Chipset Power Supply
Baseband数字电路部分的工作电压在1.8V~2.6V之间,当手机锂电池的电压降到3.3V~3.2V时,手机将关机,这时电池到BB工作电压的压差为500mV~600mV,对于CMOS LDO来说,这么大的工作电压和压差使LDO正常工作不是问题,低噪音和高PSRR都不是问题,而对BB工作在轻载时LDO的静态电流要求要非常小。Baseband模拟电路部分的工作电压在2.4V~3.0V,与手机最低工作电压的差值为200mV~600mV,同时,需要在低频时(217Hz)有较高的PSRR,用以抑制RF部分对电池的干扰。此外,这颗LDO的会始终处于工作状态,所以也要求有极低的静态电流。
2.RF Power Supply
RF电路需要2.6V~3.0V的工作电压。在电路中,如低噪音运放(LNA),up/down converter,mixer,PLL,VCO,和IF stage都要求很低噪音和很高PSRR的LDO
3.TCXO Power Supply
温度补偿晶振(TCXO)需要的是一颗极低噪音并带有enable pin的LDO,尽管TCXO只需要5mA的工作电流,但它同样要一颗单独的高PSRR的LDO为其供电,来隔离其他噪声源,如RF产生的低频脉冲噪声。
4.RTC Power Supply
RTC电源会一直处于工作状态,即使在手机关机以后。因此它需要一颗极低静态电流的LDO,同时,这颗LDO要求具有小的反向漏电流的保护功能。
5.Audio Power Supply
在手机音频电源方面,会用到300mA~500mA稍大电流的CMOS LDO,同时,也要求在音频范围内(20Hz~20kHz)有低噪音和高PSRR的特性,来保证良好的音质要求。
CMOS LDO产品的特点
1.CMOS LDO的自身功耗:
CMOS LDO在正常工作时,存在自身的功耗,可以大概表示为:
Pd=(Vin-Vout)×Iout+Vin×Iq,
由这个式子可以看出,重载以及大输入输出电压差都会增大Pd,从而降低LDO的转换效率。然而当Iout=0时,Iq决定LDO的功耗,而CMOS LDO的Iq仅有1uA~80uA,使得LDO自身几乎没有功耗。
如在TCXO(温度补偿晶振)电源中,其只需要5mA的负载电流,Vout固定,若能控制Vin的值仅稍大于Vout+Vdrop,(一般地,CMOS LDO的Vdrop在Iout=5mA条件下,其值为5mV~10mV),则LDO的自身功耗Pd在不到1mW,这取决于方案设计工程师在应用电路中的设计。
现在更多的工程师,将DC/DC与LDO共同设计进电源管理方案中,因为他们发现,开关型转换器存在一定的噪声干扰和高静态电流等问题,这种情况在处理器供电应用中尤为突出。开发商为了让处理器在不执行指令时保持极低的电能消耗,往往把产品设置为"深度睡眠模式"和"唤醒工作模式"两种状态。
而如果在"深度睡眠模式"下仍然采用开关型转换器,其噪声和静态电流性能反而不如LDO优越。基于这种情况,已经有厂商针对处理器(例如基带处理器)供电应用推出了LDO与开关型转换器双模系统。当处理器处于"唤醒工作模式"时,系统通过芯片内部开关切换成PWM模式,LDO输出为高阻态,为处理器提供较高的电压和较大的电流;而当处理器处于"深度睡眠模式"时,系统通过芯片内部开关切换成LDO模式,SW输出为高阻态,为处理器提供较低电压和微小电流。
2.CMOS LDO的稳定性:
典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。LDO稳定性与输出电容的ESR密切相关,选择稳定区域比较大的LDO有利于系统的设计,并可以降低系统板的尺寸与成本。利用较低ESR的电容一般可以全面提高电源纹波抑制比、噪声以及瞬态性能。
陶瓷电容器由于其价格低而且故障模式是断路,通常成为首选;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ESR 会影响其稳定性,陶瓷电容器具有较低的ESR,大概为10mΩ量级,而钽电容器ESR在100 mΩ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。BCD的CMOS LDO产品采用ESR范围在10mΩ~100Ω的输出电容就可以满足全负载范围内的稳定性。
3.电路简单及价格低:
LDO的应用电路都比较简单,除了LDO自身以外,只需要2颗电容,个别产品还需要一颗bypass电容。总共只需要3~4颗原件。如此简单的电路在成本也就相应很低了。
4.电路所需PCB面积小:
CMOS LDO的Cin和Cout大多小于等于2.2uF,这样的容值,0603封装就可以做到了,LDO的封装一般只是SOT-23或SC-70,整个电路在PCB上的面积只有20mm2~30mm2,极大的节省了电路板的空间。
CMOS LDO产品的应用
由于CMOS LDO产品的拓扑结构决定了其较低静态工作电流的特性,使得其非常适合在电池供电的手持设备系统中应用。下面以PHS手机为例来说明CMOS LDO的应用和选择。
1.Baseband Chipset Power Supply
Baseband数字电路部分的工作电压在1.8V~2.6V之间,当手机锂电池的电压降到3.3V~3.2V时,手机将关机,这时电池到BB工作电压的压差为500mV~600mV,对于CMOS LDO来说,这么大的工作电压和压差使LDO正常工作不是问题,低噪音和高PSRR都不是问题,而对BB工作在轻载时LDO的静态电流要求要非常小。Baseband模拟电路部分的工作电压在2.4V~3.0V,与手机最低工作电压的差值为200mV~600mV,同时,需要在低频时(217Hz)有较高的PSRR,用以抑制RF部分对电池的干扰。此外,这颗LDO的会始终处于工作状态,所以也要求有极低的静态电流。
2.RF Power Supply
RF电路需要2.6V~3.0V的工作电压。在电路中,如低噪音运放(LNA),up/down converter,mixer,PLL,VCO,和IF stage都要求很低噪音和很高PSRR的LDO
3.TCXO Power Supply
温度补偿晶振(TCXO)需要的是一颗极低噪音并带有enable pin的LDO,尽管TCXO只需要5mA的工作电流,但它同样要一颗单独的高PSRR的LDO为其供电,来隔离其他噪声源,如RF产生的低频脉冲噪声。
4.RTC Power Supply
RTC电源会一直处于工作状态,即使在手机关机以后。因此它需要一颗极低静态电流的LDO,同时,这颗LDO要求具有小的反向漏电流的保护功能。
5.Audio Power Supply
在手机音频电源方面,会用到300mA~500mA稍大电流的CMOS LDO,同时,也要求在音频范围内(20Hz~20kHz)有低噪音和高PSRR的特性,来保证良好的音质要求。
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