选择手机使用的线性稳压器

概述

　　今天，移动设备已经成为我们生活中不可缺少的组成部分。它们为我们提供了各种好处，如安全（保护汽车抛锚后驾驶员），娱乐（提供最新的比赛结果），便利（紧急联络和社交）。但就用户的感受来说，移动设备本身并不具备高的价值。

　　今天，一旦客户与运营商签好合同，大多数手机的出售价格都很低。客户的成本是合同持续的时间，而不是手机本身。所以客户把手机本身看作一种可以抛弃的东西，可以换成最新机型、颜色和应用。但这种认识略有不妥，因为手机是花费数百万人的多年努力才推向市场的一种工程成就。

　　某种意义上，我们可以将线性稳压器作相似的类比，但这是对手机的设计工程师而言。高性能的线性稳压器中结合了优秀的 IC 设计、封装和制造，能为下一代手机设计提供先进而必要的性能。

　　线性稳压器在手机系统中常被当作是“创可贴”式的东西，经常在产品开发的最后阶段才作出选择。设计工程师更关注如何使复杂的 BB 或 RF ASIC 工作，而不是要选择哪种功率/性能的线性稳压器。线性稳压器经常要靠广告彩页的规格宣传才能卖出，而不是靠数据单内页的核心特性。

　　规格也经常会产生误导作用，在数据单首页大肆宣传的都是主要参数，但这种方式可能会让人误解，并且这些参数不与其它参数相联系就没有价值。特别是静态电流。这种情况的出现是由于线性稳压器市场竞争的结果，因为厂家意识到工程师们的时间都很紧张，所以纷纷设法让他们能多看一眼自己的器件。

　　此外，没有一种表述信息的标准。不同的级别、温度和负载信息只会使设计工程师更加困惑。

线性稳压器的分类和与电池技术的关系

线性稳压器可以归为三组类型：

　　通用、数字和模拟。根据不同应用的性质，所用线性稳压器的特性也要随之变化。线性稳压器在参数方面要不断地进行折衷。我们确定器件类型的方式取决于应用设计中的最重要的规格。

　　由于锂电池的有更高的单位重量能量，并且没有镍镉电池的记忆效应，便携设备的供电已经进入锂电池时代。镍镉电池仍会在便携设备中继续存在下去，但只在需要大电流负荷的应用中，如电动工具等。因为镍镉电池内阻较低。

　　锂电池是手机中使用的电池技术。并且这种技术的发展速度并没有与整流电池的半导体业的发展同步。唯一的重大进展是锂聚合物电池的出现，它可以装到移动设备的小型外壳中。唯一可望实现的替代品是 Power cell，但近期看来不会有所作为，特别是这种电池的副产物是水，这在任何电子产品中都是不受欢迎的。由于对移动设备等待时间和通话时间的不断延长，当前的趋势是不间断地（也许不太公平）推动半导体技术与体系结构的发展，以满足不断增加的产品需求。并且由于移动设备不仅需要考虑通话时间和等待时间，还需要考虑游戏时间，于是更加强了这一趋势。随着多媒体和互联网功能成为流行时尚，线性稳压器需要越来越低的静态电流，从而使 IC 工程师作出更多的设计折衷。今后成功的产品组合都要具备多种因素，如管理、开发体系结构甚至改善这些折衷的能力。当定义线性稳压器的性能时，这种更低的静态电流需求正在改变着所有线性稳压器的特性。

线性稳压器揭秘

　　自从早期的齐纳二极管以来，线性稳压器走过了漫长的道路。现代的线性稳压器采用了许多巧妙的体系结构来应对挑战性的需求。基本上，一个线性稳压器就是一个运算放大器和一个传输晶体管。运算放大器使用两个基准点。它们是内部带隙基准，和输出端的一个电阻分压器。在稳压过程中，电阻分压网的电压值被反馈给运算放大器，并与带隙基准进行比较。传输晶体管根据比较结果决定导通的时间。这是一个基于两个主要极点的闭环系统，即误差放大器/传输晶体管的内极点，以及输出电流要求与输出电容 ESR 的外部极点。对两个主要极点的处理会影响器件的性能，也是回路稳定性的主要因素。

进一步理解线性稳压器的分类

　　对线性稳压器有一个稳定不变的需求，那就是越来越高的效率。用另一种指标说就是减小静态电流和正向压降。正如生活中没有免费的午餐一样，当我们提高线性稳压器的某一个参数值时，它不可避免会影响到其它的特性。

　　通用线性稳压器的设计是要提供最好的整体性能。各种特性的权重基本是相当的。成本和市场接受程度决定了所选择的封装类型。

　　数字线性稳压器设计用于支持各种主要的移动设备数字核心部分。现代 DSP 和微控制器必须工作在高效状态下，还经常有大电流需求。尤其是随着移动设备的应用不断增加及从基本的调制解调器向丰富的多媒体扩展和转移，更进一步推动了当前的需求。我们不再需要考虑用户通话和等待时间，而是要考虑玩的时间（游戏/互联网）。新兴的 CDMA 手机需要大量的纠错和滤波功能。所有这些都给数字处理核心的软件装载施加了极大的压力。这些都体现了对电源管理器件的需求。这些特性逐步成为对数字负载重要的特性。它们是线路与负载调整/瞬态特性。应该说，这不是仅有特性，而是许多重要特性中的两个。产品数据表的首页经常不列出这些参数。它们一般用两种方式表述，V/I 偏差的百分数值或 V/I 实际值。这些值都应该参考到负载电流或输入电压的变动。

　　由于移动设备的性质，会有很长的时间不需要使用核心部分。如果没有通话、搜索基站或使用多媒体功能，则电源管理设备进入休眠状态。数字线性稳压器设计为随后进入休眠状态，此时只吸入很少电流，但当需要时可快速起动。在休眠模式期间，线性稳压器的所有主要功能都被关断，包括带隙功能。及时快速起动而不引起过冲的特性非常关键。过冲以及线性稳压器处理过冲的能力是与静态电流相联系的。在静态电流减少时，要保持或提高这一特性就是一种艰巨的工作。

　　数字电路要求快速响应，同时仍要求相对于线路与负载瞬变的干扰要小。此时需要的是快速驱动内部电容结的能力，以及完成这一工作的有效电流。当进一步降低有效驱动电流时，线性稳压器的反应能力就会下降。

　　假定设计了一个足够快的电路，其中存在过冲。有一种解决方式是用电容来抑制过冲。但结果是电容负载增加，静态电流增大。

　　模拟线性稳压器主要用于驱动空气接口(air interface)。空气接口是便携通信中的薄弱之处。其信号对噪声和衰减均高度敏感。因此，当考虑使用一个模拟线性稳压器时，重要的是器件本身不会进一步引入噪声，并能抑制其它噪声源。模拟线性稳压器的主要品质因数是噪声（以 Vrms 度量）和抑制（电源抑制比 PSRR，单位为 dB）。带隙基准与传输晶体管是噪声的主要来源。增加一个外接旁路电容可以降低这种噪声，但这也增加了成本和体积。领先的半导体厂家如美国国家半导体公司采用另一种办法，即在硅片内增加内置电容。晶体管级的噪声实际上由两个因素组成，热噪声和闪烁噪声。电子互相碰撞以及在 Si02 级被捕获是两种噪声产生的原因。PSRR 是器件抑制有害噪声的能力，这些噪声由其它稳压元件或噪声源产生。这在模拟环境中特别重要，因为一般来说，模拟器件比数字器件对噪声更敏感。

　　噪声本身对地电流有直接的相关性，因为它是晶体管驱动的一个系数。MOSFET 中的驱动电流越低，则闪烁噪声和热噪声指标就越差，较低的驱动电流意味着较低的静态电流。

　　现代线性稳压器的设计工程师要面临多种折衷的抉择，但不会都取最坏情况。用已有的技术可以设计出更智能的器件，以补偿不规律和难以预期的系统需求。美国国家半导体公司发明了一些测量输出、输入电流/电压，以及提高器件稳定性水平的方法，同时减小了地电流和正向压降。通过在硅片中使用 MOSFET 的电容效应以及其它技术，可以实现原外置功能的集成化，如旁路电容和输入、输出电容等。因而在保持或增强性能的同时进一步减少了整机材料成本和外形尺寸。

线性稳压器的未来

　　大多数现代移动通信设备都被迫实现各个外接元件的集成化。有一种看法是，分立的线性稳压器将被用作 PMU（电源管理单元）。今天的电源管理单元使用了许多传统的线性稳压器。为了对外形尺寸进行优化，电源管理单元经常是专为客户定制开发的混合信号 ASIC。

　　手机功能基本上分为两个部分：调制解调器核心和多媒体/用户体验核心。调制解调器核心将继续集成化，并成为可用于所有未来开发的固定平台。PMU ASIC 将成为解决方案的一个组成部分。但 PMU 自身有功能弱点。假如由于某种原因要改变功能，则需要对整个器件进行一次再制循环(respin)。这会造成昂贵的费用，还影响到产品上市时间。耽误的上市时间也可以看作金钱的损失，而不是开支。即使采用固定的核心也会有灵活性的需求，因此，在集成所有电源管理功能时要特别小心。将某些线性稳压器做成外接式可以增加这种灵活性。另外，单一内核中多器件的驱动电流存在一系列复杂问题，其中之一就是散热问题。多媒体核心/用户体验核心将成为下一代移动设备的主要需求。电流需求在不断增长，但仍需遵守物理定律。这些散热要求也会推动下一代电源管理分区的发展。

　　有迹象表明，未来的许多电源管理功能都将围绕直流－直流降压稳压器来设计，后调节的线性稳压器可以提供这种支持。由于输入电压快速接近 1V，意味着要开发出更低输入电压的线性稳压器。另外，随着工艺技术按照莫尔定律的发展，未来数字核心的电压将低于 1V，输出电压也在持续降低。输出电压的下降带动了线性稳压器的开发，为线性稳压器在便携式器材中的应用带来新的市场。这样的线性稳压可以直接用于单 1.2V 电池。

　　不再需要分立的线性稳压器，而是被集成到硅片中，这种情况只是今天的系统需求，而不是未来的市场需求。随着封装、工艺与系统进一步推动电源管理器件的性能与需求，电源管理器件的作用和表现也将发生变化，以应对挑战。手机设计者将根据多种品质因数、应用范围和使用方便性来选择产品。美国国家半导体早已开始研究这些变化的系统需求，并正在开发新的体系结构、工艺与封装，维持着在市场上的重要领导地位。

如欲进一步查询有关美国国家半导体电源产品的资料，可浏览http://www.national.com/CHS/appinfo/power/网页。