超低功耗LDO线性稳压器

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超低功耗LDO线性稳压器

一、前言

在智能终端高速发展的今天,如何延长电池的使用寿命就成为了电子设计人员的重要课题。目前市面上的MCU等处理器处于休眠模式时,功耗可以达到1uA以内。由于设备大部分时间处于休眠状态,因此线性稳压器LDO的静态工作电流就决定了电池的使用寿命。

上海英联电子推出了UM153XX、UM154XX系列超低静态工作电流的LDO,其典型值仅有1.2uA(Vin=5V)。适用于穿戴式产品、便携式产品以及需要备份电池供电的设备,可以有效延长电池使用寿命。

二、UM153XX、UM154XX的重要参数

英联的UM153XX、154XX系列是超低静态工作电流的电压稳压器(其原理框图见图1),可使用1μF以上的陶瓷电容器作为输出电容。输入电压范围:2.2V~5.5V,输出电压范围为1.3V~5V。

图1:超低静态工作电流LDO的原理框图
图1:超低静态工作电流LDO的原理框图

UM153XX系列提供两种封装供客户选择,SOT23-3、SOT89-3,与市面同类型芯片兼容。UM154XX系列带有使能管脚,封装为SOT23-5。,其主要参数如表1所示:

表1:特性参数表
表1:特性参数表

1、静态电流Iq

静态电流为输出电流与输如电流的差,LDO的效率与输入、输出电压和静态工作电流有关。效率可由以下公式算出:

效率=(Vo×Io)/((Io+Iq)×Vin)×100%

由公式可看出,当LDO处于轻负载情况下,静态电流就显得尤为重要,Iq值越小,效率越高。图2为UM153XX系列LDO的Iq值在不同输入电压情况下与同类低功耗LDO的对比,由图2可看出,UM153XX在低压供电情况下,有明显的优势。

 

图2:静态工作电流随输入电压变化图
图2:静态工作电流随输入电压变化图

2、动态负载调整(△VOUT)

当输入电压一定时,输出电压随负载电流的变化而产生的变化量。只要负载电流变化缓慢,大多数LDO都能轻松地保持输出电压接近恒定不变。然而,当负载电流快速改变时,输出电压也将随之改变。当负载电流发生变化时,输出电压的改变量决定负载瞬态性能。当负载电流由1mA瞬时变为100mA时,UM153XX系列LDO的输出电压变化量仅为10mV。

 

图3:负载瞬态响应
图3:负载瞬态响应

3、压差(△VDO)

压差可表示为Vdrop,是指保持电压稳定所需的输入电压与输出电压之间的最小差值。当输入电压下降到一定程度时,输出电压将不能维持在一恒定值。其具体算法如下:

输入电压为VIN = VOUT(s)+1.0 V时的输出电压值为VOUT3,缓慢降低输入电压(VIN),当输出电压降至为VOUT3的98%时,此时的输入电压(VIN1)与输出电压的差即为输入输出电压差:Vdrop = VIN1-(VOUT3×0.98)

压差应尽可能小,以使功耗最小,效率最高。负载电流和结点温度会影响这个压差。最大压差值应在整个工作温度范围和负载电流条件下加以规定。在非调整区域,Vdrop的值呈线性变化,图4为UM15333的压差随输出电流变化的曲线图。

 

图4:Vdrop曲线图
图4:Vdrop曲线图

4、过载电流保护

UM153XX系列LDO为了保护输出晶体管免受过大的输出电流,以及VOUT管脚—GND管脚之间短路的影响,内置了过载电流保护电路。最大限流300mA,负载电流小于限流时,输出电压即可恢复为正常值。

三、应用注意事项

1、电容的选择

输出电容及其等效串联电阻ESR,将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。为了确保输出的稳定性,如果使用1μF输出电容,请尽量选用ESR值为0.3Ω或以下的,推荐X7R或X5R陶瓷电容。另外,LDO要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化,输入电容器因应用电路的不同所需要的容值也不同。电容值越大,LDO的瞬态响应性能越好,缺点是会延长启动时间。在电源的阻抗偏高的情况下,当IC的输入端未接电容或所接电容值很小时,会发生振荡,请加以注意。

2、封装的选择

SOT23-3的最大额定功率为0.4W,SOT89-3的最大额定功率为1W,SOT23-5的最大额定功率为0.6W。请注意输入、输出电压以及负载电流的使用条件,避免IC内的功耗超过封装的容许功耗。

3、PCB布线

重点要考虑噪声、纹波和散热问题,尽可能将输出电容(CL)接在VOUT-VSS管脚的附近,将输入电容(CIN)接在VIN-VSS管脚的附近,LDO和电容要使用同一铜层铺地,尽量增加地面积。

 

图5:PCB布线设计
图5:PCB布线设计