面向汽車應用的線性調整器與開關調整器的比較

多年來，人們一直預測低壓差線性調整器(LDO)要退出在汽車領域的應用。但是，LDO調整器持續生存著甚至茁壯成長，因為它們的價格便宜且使用方便。本文中，我將闡述LDO調整器的復雜性，考察市場上的最新進展(確實有一些進展)，并分析隨著汽車電源需求的持續攀升而向開關型調整器轉移的趨勢。

新型線性調整器

線性調整器有什么新技術呢？讓我們首先看看輸出電容。目前，陶瓷電容都選擇的是0402封裝，大多數原因在于所改進的材料已經把它們的溫度范圍從125℃(257°F)提高到了150℃(302°F)，所改善的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振能力。這些電容的小尺寸減少了它們的感性成分，進一步提高了高頻性能。但是，陶瓷電容的關鍵特性是其低的等效串聯阻抗或ESR。

基本的閉環線性調整器系統由一個誤差放大器、輸出驅動器和負載組成。圖1到3詳細描述了雙極型線性調整器的閉環頻率響應，在保持系統設置和輸出容值相同的情況下，改變輸出電容的ESR可以看到其影響。具有1歐姆ESR(圖1)的電容為穩定的；而具有0.01歐姆非常低 ESR(圖2)的電容就不穩定；具有3歐姆較大ESR(圖3)的電容也不穩定。

開關電源設計中有一條非常實用的經驗法則：無論何時閉環增益大于或等于1，閉環相位永遠不會落在360度的30度之內。

大多數線性調整器并未給你提供測量穩定性曲線的可接入點。取而代之的是，芯片制造提供一組與輸出電容的ESR數值相對應的曲線，顯示哪些地方有可能出現穩定性問題。圖4所示為輸出電容ESR的不穩定區和穩定區的典型差異，它取決于因輸出電流變化引起的輸出調整器電壓的變化。圖5所示為輸出電容數值上的不穩定和穩定區之間的差異。

負載響應時間通常與IC穩定性產品區域呈相反的規律變化。環路響應時間一直被降低以提供更佳的穩定性。用一個外部輸出電容可以補償大多數瞬態需求。要確保為你的需求提供一個數值足夠大的電容。要采用常用的電容方程：

來根據系統負載的大小計算電容數值、瞬態時間和系統容許的輸出電壓降。

無論調整器處于加載或待機狀態下，靜態電流都是一個重要的指標。歷史上，靜態電流不受重視。隨著汽車電子系統的增加，對現有電池和交流發電機的使用已經達到了極限。半導體制造工藝對靜態電流的大小有一定影響，對于以兩種不同類型制造工藝生產的產品，我們可以看到典型性能特征所受到的影響。圖6所示為以雙極工藝生產的器件，而圖7所示為以BCD工藝生產的器件。注意以BCD工藝制造的器件所具有的扁平線特性。

采用雙極工藝的器件在高負載上靜態電流會增加；采用BCD工藝的器件在小負載和大負載時都保持低的靜態電流。結果對模塊的靜態電流限制貢獻較低。

節省電流

在節省電流的控制中，你可以使用一種看門狗調整器(watchdog regulator)。看門狗調整器利用發往微處理器的喚醒信號實現節省電流。當微處理器指令正在開始運作時，一個協同信號由微處理器發回到電壓調整器，向調整器提示它必須保持調整。一旦微處理器完成命令和指令，被發回調整器的反饋信號被取消。看門狗調整器識別這個事件，并把一個復位信號發回微處理器，將其關閉，如圖8所示。最終結果是節省電流，直到微處理器需要再次發出協同信號。

另一種節省調整器IC電流的方法是即刻關閉不需要工作的電路。只要不是立即要用的調整器電路，都可以關閉并工作在脈沖開/關模式。這種方案對于寒冷或室內溫度下的輕負載條件最佳。器件的溫度越高，漏電流就越大，工作就越復雜；環境溫度的上升或片上電源導致的裸片溫度上升，都會造成器件工作溫度的上升。

為此，越來越多的人選用雙調整器(在一顆芯片上有兩個獨立的輸出調整器)。有幾種微處理器現在就需要采用雙電源電壓。一個電源(通常是較低的電壓)為內核供電，第二個電源為I/O供電。降低內核電壓，就可以把更多的晶體管集成到芯片中，而不會讓器件溫度超過其封裝的限制。

雖然使用雙線性調整器(它使用更方便、更節省空間和成本)不節省靜態電流，但是，卻對節省功率和系統中的電源分配有貢獻。節省電流是因為在雙調整器內采用了共用電路，如帶隙參考電壓和電流源偏置線。

在單芯片上集成多顆調整器IC，則使用方便、節省空間和成本，但是，受到IC中容許的功率大小的限制。

改善封裝就容許單個封裝消耗更大的功率。通過采用金屬引線框材料(暴露的焊盤, epad)，可以降低熱阻。與塑料封裝相比，金屬連接的引腳更容易傳導熱耗散。圖9所示為典型的暴露焊盤的封裝。該器件采用的是300mil、16引腳SOW暴露焊盤封裝，epad的面積為150 mil x 184 mil。