引言

便攜產品電源設計需要系統級思維，在開發由電池供電的設備時，諸如手機、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產品，如果電源系統設計不合理，則會影響到整個系統的架構、產品的特性組合、元件的選擇、軟件的設計和功率分配架構等。同樣，在系統設計中，也要從節省電池能量的角度出發多加考慮。

例如現在便攜產品的處理器，一般都設有幾個不同的工作狀態，通過一系列不同的節能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對電池容量的消耗。即當用戶的系統不需要最大處理能力時，處理器就會進入電源消耗較少的低功耗模式。帶有使能控制的低壓差線性穩壓器（LDO）是不錯的選擇。

圖1 LDO低壓差線性穩壓器的結構

LDO的基本原理

LDO是一種微功耗的低壓差線性穩壓器，它通常具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比PSRR（ Power Supply Rejection Ratio ）。

LDO低壓差線性穩壓器的結構如圖1，主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡，保護電路等，基本工作原理是這樣的：系統加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當輸出即將達到規定值時，由反饋網絡得到的輸出反饋電壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大，再經調整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環回路將使輸出電壓保持不變，即：

Vout=（R1+R2）/R2 * Vref

實際的低壓差線性穩壓器還具有如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等其它的功能。

電源抑制比（PSRR）

電源抑制比是反應LDO輸出對輸入紋波抑制能力的一個交流參數，一般輸出和輸入的頻率是一樣的，PSRR的值越大說明LDO的紋波能力越強，也就是說輸入對輸出的影響很小。和噪聲（Noise）不同，噪聲一般為在10Hz至100kHz頻率范圍內一定輸入電壓下其輸出噪聲電壓的均方值（RMS），PSRR的單位是dB，公式如下。

PSRR=20 log（△vin/△vout）

圖2 為SGM2007在CBP = 0.1F， ILOAD = 50mA，COUT = 1F f = 10KHz，的輸出和輸入的電壓曲線。

圖2 SGM2007輸出和輸入的電壓曲線

由公式PSRR=20 log（△vin/△vout）=60（dB），當輸入變化了1V的時候，輸出才變化了1mV.可見紋波抑制能力還是很強的。

圣邦微電子的SGM2007高性能低壓差線性穩壓器LDO在10Hz至100kHz頻率范圍內的輸出噪聲為30 V（RMS），在 1 kHz 的頻率下電源抑制比（PSRR）高達73dB，它能夠為諸如射頻（RF）接收器和發送器、壓控振蕩器（VCO）和音頻放大器等對噪聲敏感的模擬電路的供電提供低噪聲、高電源抑制比（PSRR）和快速瞬態響應，使能電路兼容TTL電平，適合數字于電路供電。SGM2007的輸入電壓在2.5V至5.5V之間，適合藍牙數碼相機和個人數字助理（PDA），以及諸如無線和高端音頻產品等單個鋰電池供電或固定3.3V和5V的系統。

提高PSRR的方法

BP 端加旁路電容

為降低基準噪聲，提高LDO的PSRR，需要在LDO基準的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在線性穩壓器內部或由外部電路實現。內置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加芯片的設計和生產成本，有些低噪聲LDO芯片只是提供一個基準的引腳BP（Bypass），用于連接基準旁路電容。

增大旁路電容，有利于減小輸出噪聲，提高LDO的PSRR。建議使用陶瓷電容的典型值為 470 pF 到 0.01 F 。也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO 輸出電壓上升的速度產生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時這點要注意。如圖3為旁路電容對SGM2007 PSRR影響，可見增大旁路電容會在一定頻率上提高PSRR的值。

圖3 旁路電容對SGM2007 PSRR的影響

增大LDO的輸出電容

LDO需要增加外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比（PSRR）、噪聲以及瞬態性能。 陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串聯電阻（ESR）會影響其穩定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級 采用陶瓷電容時，建議使用X5R 和X7R電介質材料，這是因為它們具有較好的溫度穩定性。

如圖4為輸出電容對SGM2007 PSRR的影響。大電容器一般在一定頻率范圍內會提高電源抑制比（PSRR）減小LDO的負載電流。

圖4 輸出電容對SGM2007 PSRR的影響

負載電流也會在一定程度上影響LDO的PSRR。如圖為負載電流對SGM2007 PSRR影響，由圖5可見隨著負載電流的增大，PSRR也會有一定程度的減小。為了減小負載電流對LDO的PSRR影響，要盡量選擇輸出電流大的LDO。

圖5 隨著負載電流的增大，PSRR也會有一定程度的減小

大多數蜂窩電話基帶芯片組需要三組電源：內部數字電路、模擬電路和外設接口電路。基帶處理器（BB）的數字電路供電電壓的典型值為1.8V至2.6V，一般情況下，Li+電池電壓降至3.2V-3.3V時電話將被關閉，對于為基帶處理器供電的LDO來說至少有500至600mV的壓差，因此對壓差要求不高。另外，數字電路本身對LDO的輸出噪聲和PSRR的要求也不高，而是要求LDO在輕載條件下具有極低的靜態電流。

基帶處理器內部模擬電路供電電壓典型值是2.4V至3.0V，壓差在200mV至600mV。要求LDO具有較高的低頻（GSM電話為217Hz）紋波抑制能力，消除由RF功率放大器產生的電池電壓紋波。

RF電路分為接收和發送兩部分，供電電壓典型值為2.6V至3.0V，其中低噪聲放大器（LNA）、混頻器、鎖相環（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和中頻（IF）電路需要低噪聲、高PSRR的LDO。

在USB電路中的應用

LDO廣泛應用于諸如手機、MP3、PDA、PMP、DSC等便攜設備中，當為便攜設備的USB供電設計時，一般都是用到3.3伏的LDO如圖6。很多便攜設備在連接USB接口時，都要判斷是為便攜設備充電，還是連接USB設備進行數據傳輸，一般的設計方法是在LDO的Vout通過一個10K上拉電阻接到USB的D+.由另一部分電路判斷當前的狀態是充電（Charge）還是連接USB設備進行數據傳輸（Data）。如果LDO的Vout倒罐電流很大，也就是說，LDO的輸出阻抗很小，那么LDO的Vout就會被強制拉低，那么便攜設備就會判斷不出是充電（Charge）還是連接USB設備進行數據傳輸（Data）。

圖6 3.3伏的LDO

工程師在為便攜設備USB供電選擇時LDO要特別注意LDO Vout倒罐電流對電路的影響。有些LDO的Vout倒罐電流很大約為10mA，有些很小約為幾十uA.如圖7為圣邦微電子的SGM2007 在Vin=5V， En=0V， Vout外加電壓和流入Vout電流的曲線。由曲線可見流入Vout的電流很小，在外加電壓為5.5伏時，流入的電流才40uA。

圖7 SGM2007 Vout外加電壓和流入Vout電流曲線

結語

新型音頻電路，如免提電話、游戲機、MP3及蜂窩電話中的多媒體電路，可能需要300mA-500mA的大電流LDO，LDO要在音頻范圍（20Hz至20kHz）應具有低噪聲、高PSRR特性，以保證良好的音質。在為射頻電路選擇LDO時要慎重比較噪聲指標，和電源抑制比（PSRR），確保旁路電容、輸出電容和負載條件一致。

在為手機、MP3、PDA、PMP、DSC等便攜設備的USB接口供電選擇LDO時，一定要選擇輸出阻抗大，倒罐電流小的LDO。

編輯：jq