【導讀】線性穩壓器有什么新功能？讓我們從輸出電容器開始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當今的電容器。這主要是因為改進的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F)，并且改進的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。
新型線性穩壓器
線性穩壓器有什么新功能？讓我們從輸出電容器開始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當今的電容器。這主要是因為改進的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F)，并且改進的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。這些電容器的小尺寸減少了其電感分量，從而獲得更好的高頻性能。但陶瓷電容器值得關注的關鍵特性是其低等效串聯電阻 (ESR)。
基本的閉環線性調節器系統由誤差放大器、輸出驅動器和負載組成。圖 1 至圖 3 詳細介紹了雙極性線性穩壓器的閉環頻率響應，突出顯示了在保持系統設置和輸出電容值相同的情況下改變輸出電容器 ESR 的效果。具有 1 歐姆 ESR（圖 1）的電容器是穩定的，而具有非常低的 0.01 歐姆 ESR（圖 2）的電容器是不穩定的；3 歐姆的較大 ESR（圖 3）也不穩定。
開關電源的一條經驗法則——每當閉環增益大于或等于 1 時，閉環相位永遠不會達到 360 度的 30 度以內——在這里也非常適用。
大多數線性穩壓器不提供任何可訪問的點來測量穩定性曲線。相反，芯片制造商提供了一些圖表，顯示預期的穩定性區域與輸出電容器的 ESR 值的關系。圖 4 顯示了輸出電容器 ESR 不穩定區域和穩定區域的典型差異，具體取決于輸出穩壓器電壓隨輸出電流變化的情況。圖 5 顯示了基于輸出電容值的不穩定區域和穩定區域的差異。
負載響應時間通常與 IC 穩定性產品區域成反比變化。環路響應時間已減慢，以提供更好的穩定性。外部輸出電容器將補償大多數瞬態要求。請務必提供足夠大的電容器來滿足您的要求。使用典型的電容器方程：
根據系統負載大小、瞬態時間和系統允許的輸出電壓降來計算電容器值。
無論是在穩壓器加載時還是在待機狀態下，靜態電流都已成為一個重要的指標。從歷史上看，靜態電流并不是一個問題。隨著汽車中電子含量的增加，目前使用的電池和交流發電機已經達到了極限。半導體制造工藝會對靜態電流量產生影響，我們可以在兩種不同制造類型制造的產品的典型性能特征中看到這種影響。圖 6 顯示了采用雙極工藝制造的器件，而圖 7 顯示了采用 BCD 工藝制造的器件。請注意采用 BCD 工藝制造的器件的扁平線特性。
雙極工藝導致器件在較高負載下需要增加靜態電流。當在較高負載下運行時，采用 BCD 工藝制造的器件將在低負載下保持低靜態電流。結果是對模塊靜態電流限制的貢獻較低。
節流器
您可以在節流操作中使用看門狗調節器。看門狗調節器通過向微處理器發送喚醒信號來節省電流。當微處理器指令啟動時，微處理器將并發信號發送回電壓調節器，通知調節器必須保持調節。一旦微處理器完成其命令和指示，返回調節器的反饋信號就會被移除。看門狗調節器識別該事件并向微處理器發送回復位信號，將其關閉，如圖 8 所示。終結果是電流消耗減少，直到再次需要微處理器的工作為止。
IC 穩壓器領域的另一種新的省流方案是暫時關閉不需要的電路。調節器中不立即需要的任何部分都可以斷電并以脈沖開/關模式運行。
該方案適合寒冷或室溫下的輕負載條件。較高溫度下漏電流的增加（通過環境溫度升高或片上電源引起的芯片溫度升高而達到）使器件的正常運行變得復雜。
人們對雙穩壓器（一個芯片上有兩個獨立的輸出穩壓器）的興趣與日俱增。現在一些微處理器需要雙電源電壓。個電源（通常是較低電壓）為內核供電，第二個電源為 I/O 供電。降低電壓可以將更多晶體管擠在芯片上，而不會熔化器件或超出其封裝的熱限制。
雖然雙線性穩壓器的用途并不是作為靜態電流節省工具（更多的是為了方便、節省空間和成本），但它們有助于系統中的節能和功率分配。電流節省是雙穩壓器內通用電路（例如帶隙參考電壓和電流源偏置串）的結果。
在單個 IC 上集成多個穩壓器有利于方便、節省空間和成本，但受到 IC 中允許功率的限制。
封裝是另一個經過改進的領域，可以在單個封裝中消耗更多功率。通過使用金屬引線框架材料（裸露焊盤），熱阻得到了改善。與塑料連接相比，金屬連接可以更有效地散熱。圖 9 顯示了典型的裸露焊盤 (epad) 封裝。該器件采用 300 mil、16 引線 SOW epad 封裝，epad 尺寸為 150 mil x 184 mil。
超過制造商的溫度限制（結點處通常約為 150°C/302°F）可能會立即損壞穩壓器，或者由于硅、焊線和塑料封裝的不同熱膨脹系數引起的應力而導致早期故障。隨著溫度升高，故障率呈指數級上升。目前正在研究提高這些電氣元件可接受的工作溫度。
開關穩壓器
當我所描述的所有新的線性穩壓器選項都被使用時，開關穩壓器的使用將會增加。由于外部元件數量較多，開關器比線性穩壓器更昂貴。他們還承擔故障排除的隱性成本。就其本質而言，切換器具有需要電磁干擾方面的技能和教育才能克服的特性。
毫無疑問，開關穩壓器比 LDO 更高效。開關穩壓器的效率可以達到 90%，而 LDO 的效率為 36%，如表 1 所示。圖 10 顯示了降壓開關穩壓器的典型效率曲線。
線性穩壓器的功率損耗就是負載電流（忽略任何靜態電流）乘以輸入和輸出之間的電壓差。圖 11 中的示例顯示了穩壓器上的 9V 壓降，因此效率達到 35.7%，與負載無關，但取決于輸入電壓，如下例所示。
提高線性穩壓器效率的方法是降低其兩端的電壓。您可以通過在線性穩壓器旁邊使用開關穩壓器（如圖 12 所示）來實現此目的，為線性穩壓器創建 6V 直流輸入（與上一示例中的 14V 直流輸入相比）。開關器件可以有效地降壓至更易于管理的電壓，并將該電壓分配給其他線性穩壓器運行。這種布置提高了切換器的效率，同時節省了線性調節器的成本。消除線性穩壓器與電池的連接可以進一步降低成本，因為可以使用較低電壓的部件。
如圖 13 所示，提高的效率使整體系統效率達到 74.7%，而圖 11 中的效率為 35.7%。
減少電流消耗的另一種方法是將開關穩壓器的功能與線性穩壓器相結合。開關穩壓器在驅動其設計負載時效率。然而，當輸出電壓負載不重時，保持開關穩壓器開關所需的電流變得更多是一種負擔，而不是一種屬性。在這些條件下，線性穩壓器可以更加高效。
圖 14 顯示了能夠在線性穩壓器和開關穩壓器的工作模式之間切換的器件。該模塊分為兩個獨立運行的部分：部分（綠色）支持系統用作降壓開關穩壓器。第二部分（黃色）支持系統用作線性調節器。與溫度無關的參考電壓在兩個部分之間共享。工程師可以根據輸出負載選擇更改模式，以獲得效率或 EMI 要求。在非常輕的負載下，線性穩壓器的效率會更高。負載較重時，開關穩壓器的效率會更高。線性穩壓器的EMI性能始終優于開關穩壓器。
開關穩壓器的其他應用涉及啟動汽車。對于現代汽車安全系統，必須驗證密鑰是否屬于其嘗試啟動的車輛。發動機啟動時的重負載會導致電池電壓嚴重下降，這不得導致驗證中涉及的微處理器斷電或重置。
為了實現這一點，您需要一個可以為系統提供升壓以及降壓或降壓電壓的設備。實現此目的的一種方法是使用 SEPIC（單端初級電感轉換器），如圖 15 所示。電容器 C1 必須能夠承受該系統的正常高壓操作限制（就反激脈沖而言）以及通過電感器 L1 看到的高壓負載突降脈沖（以及其他瞬態）。這意味著需要一個高壓電容器，并且為了保持效率，電容器的 ESR 值較低，因為有高電流流過該組件。一些工程師對流過電容器的高電流感到不舒服。可能會發生過熱，導致可靠性問題或電容器劣化（短路或開路）。
該問題的另一個解決方案是使用帶有雙模轉換器的直通區技術。這樣可以在降壓和升壓操作模式之間實現平滑過渡，同時創建所需的降壓/升壓操作。如圖 16 所示。
在正常運行中，晶體管 Q1 作為降壓開關穩壓器運行，同時控制電路保持 Q2 截止。當 Vbat 的輸入電壓下降時，Q1 100% 導通，同時 Q2 將電路用作升壓開關穩壓器。電阻器 Rpassthrough 有助于設置操作，通過該操作有一個直通區域，通過該區域可以稍微改變調節的輸出電壓，以在切換操作模式時提供平滑過渡。
目前的汽車系統中可用的電力是有限的。從工程角度來看，開關穩壓器比線性穩壓器具有效率。開關穩壓器將實現集成的功能，但也會增加系統的成本。汽車消費者會為多的功能（開關）付費還是滿足于較少的功能（線性穩壓器）？
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