如何将CMOS LDO应用于便携式产品中

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产品的设计思想 

        以下着重从Noise方面来阐述CMS LDO的设计思想。 [!--empirenews.page--]

        从上面这个框图可以看出，方案一比方案二要多封装出来一个Pin，这个Pin一般称作”Bypass”，对于这个Bypass管脚的作用描述往往是：An external bypass capacitor, connected to this terminal, in conjunction with an internal resistor, creates a low-pass filter to further reduce regulator noise.（Bypass脚外接一个电容，与电路内部的电阻组成低通滤波器，用以减小Regulator的输出噪声）。因为加了这个Bypass电容（一般10nF），LDO对Enable（使能）响应速度会变慢(从us级到ms级)。因此如果LDO的应用场合没有低噪声的要求或对噪声要求不高，一般建议可不加这个电容。 

        LDO的输出噪声主要来自于Voltage Reference这个模块，Bypass脚就是外接在Voltage Reference的输出端。因此将Voltage Reference的噪声降低，就能降低LDO的输出噪声。 

        方案一中，如不加bypass电容，CMOS LDO的噪声一般在200~450uVrms（没有负载时的电源电流越小，这个噪声越大），加了这个电容滤波后，LDO的噪声一般为30~50 uVrms，因此方案一的低噪声CMOS LDO都是有这个Bypass脚，并且是必须加这个滤波电容才能做到低噪声。 

        当然也有例外，个别欧美的大厂商采用先进的工艺设计生产的的CMOS LDO把本该外面加的Bypass电容做到了芯片里面，这样的LDO产品的噪声约为100 uVrms的水平。 

        方案一的思路是将噪声用滤波器过滤掉大部分，而方案二的思路是将噪声源减少，其核心就是低噪声的器件工艺。采用方案二的CMOS LDO根本不需要Bypass电容，就能使输出噪声降低到30~50 uVrms。 

        从用户角度来讲，没有这个Bypass电容，既可以节省系统成本，又能获得较高的性能，何乐而不为。因此，对于输出电流较小的CMOS LDO，无论在高中低端市场的各个层面，仅从性能价格比方面来讲，方案二的产品都略胜方案一的产品，方案二的核心是低噪声低功耗的器件工艺的采用。 

        值得注意的是，采用低噪声低功耗的器件工艺生产的CMOS LDO以其较高的性价比占据了同类产品市场的70%以上的份额。对于这种形势，BCD凭借IDM公司工艺产品同步开发的优势，自行开发出了这种低噪声低功耗的器件工艺，并在中国大陆率先达到了批量大生产的水平，基于这个生产工艺，BCD已推出其验线的CMOS LDO产品AP2121/2、AP2138/9。并且，BCD还将陆续推出一系列电源管理IC新品。　　

四、BCD的CMOS LDO产品简介 

        1.AP2121/AP2122 

        这是采用BCD的低噪声低功耗CMOS工艺设计生产的低压差、低噪声、高电源纹波抑制比的LDO产品，其特点是最大输出电流能力的最小值为150mA，300mA限流；静态工作电源电流为25uA；在输出电流150mA时的输入输出压差小于200mV；电源纹波抑制比为70dB@1KHz；不需要外接Bypass电容，其输出噪声就小于50uVrms。在这个产品中采用了BCD的专利《用于提高低频电源抑制比的电路及包含该电路的电路装置》（中国专利：2004201166551.9.）。这个产品非常适合在手持式电子产品的BASE BAND上面的应用。 

        2、AP2138/AP2139 

        这是另外一类采用BCD的低噪声，低功耗CMOS工艺设计生产的低压差、低噪声、LDO产品，其特点是最大输出电流能力的最小值为200mA，300mA限流；静态工作电源电流为1uA；在输出电流100mA时的输入输出压差小于200mV；电源纹波抑制比为55dB@100Hz；不许外接Bypass电容，其输出噪声小于80uVrms。无论是直流性能还是瞬态响应等多方面，AP2138/9都要比市面上的同类产品更胜一筹，非常适合用于MP3和手持式电子产品的RTC上面的应用。 

        3、AP2115/AP2117　　

        这是一款采用上面提到的方案一设计生产的低压差、低噪声、高电源纹波抑制比的LDO产品，其特点是最大输出电流能力的最小值为300mA，500mA限流；静态工作电源电流为80uA；在输出电流300mA时的输入输出压差仅为300mV；电源纹波抑制比为70dB@1KHz；不外接Bypass电容，其输出噪声为180uVrms，当外接10nF的Bypass电容后输出噪声就小于30uVrms。值得一提的是，该类产品具有与使能端联动的快速放电功能，有效地延长了电池的使用寿命，适用于RF、Audio Power Supply等。