《電子技術應用》
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LDO在手機設計中的應用
摘要: 隨著社會的進步,使用者對通訊便利性要求越來越高,使得手機行業在近幾年有了飛速的發展。從模擬到數字,從黑白屏到彩屏,從簡單的通話功能到網上沖浪、可視對講、移動電視、GPS定位,新的應用層出不窮。但隨著手機系統功能越來越復雜,對供電系統的穩定性、供電電壓、效率和成本的要求也越來越高。
關鍵詞: 開關|穩壓 LDO 手機 FPGA
Abstract:
Key words :

隨著社會的進步,使用者對通訊便利性要求越來越高,使得手機行業在近幾年有了飛速的發展。從模擬到數字,從黑白屏到彩屏,從簡單的通話功能到網上沖浪、可視對講、移動電視、GPS定位,新的應用層出不窮。但隨著手機系統功能越來越復雜,對供電系統的穩定性、供電電壓、效率和成本的要求也越來越高。相應的系統供應商,例如MTK、TI、INFINION、NXP等等也隨之更新自己的系統電源管理單元(PMU),但是,作為系統級芯片的更新,遠遠慢于產品功能的更新換代。對于一些關鍵的器件,例如射頻模塊的供電電源,GPS模塊的PLL供電電源,對于輸出紋波,PSRR(電源紋波抑制比)性能的要求很高,這些指標會直接影響手機的信號接收靈敏度以及GPS的信號接收靈敏度。利用PMU供電則會給工程師增加系統設計復雜度。因此,各種LDO在手機中的應用,始終充滿活力。

LDO是利用較低的工作壓差,通過負反饋調整輸出電壓使之保持不變的穩壓器件。根據制成工藝的不同,LDO有Bipolar,BiCMOS,CMOS幾種類型,性能有所差異,但隨著成本壓力的增大,CMOS LDO目前成為市場的主流。

LDO從結構上來講是一個微型的片上反饋系統,它由電壓電流調整的的功率MOSFET、肖特基二極管、取樣電阻、分壓電阻、過流保護、過熱保護、精密基準源、放大器、和PG(Power GOOD)等功能電路在一個芯片上集成而成,圖1為CMOS LDO的典型功能圖。

對于手機來說,主要分成射頻,基帶,PMU三大功能單元。PMU雖然可以滿足其中大部分供電的需求,而對于射頻部分的供電,攝像頭模組的供電,GPS,以及WIFI部分新增的供電需求,由于PMU本身更新的速度,以及考慮成本、散熱問題,并不能滿足,需要通過額外的電源供應。SGMICRO的LDO產品本身有著極低的靜態電流,極低的噪聲,非常高的PSRR,以及很低的Dropout Voltage(輸入輸出電壓差),可以大部分滿足在這些應用條件下的供電要求。

在手機應用中,LDO的PSRR、輸出噪聲、啟動時間這幾個參數直接影響手機性能的好壞,需要根據實際應用情況選擇合適參數以及考慮布線。在選擇外圍器件方面,則要注意以下七點:

1. 輸出電容的選擇影響了LDO的穩定性,瞬態響應性能,以及輸出噪聲Vrms的大小

2. 輸入電容的選擇影響 瞬態響應性能, EMI和PSRR

3. 濾波電容影響了輸出紋波、PSRR和瞬態響應性能及啟動時間

4 防止電流倒灌,靜態電流的大小

5. 線路設計要考慮抑制輸入電壓過沖(穩壓管的選用與否)

6. 布線影響散熱的效率(Tdie<100℃)

7. 根據系統要求選擇合適啟動時間



圖1:CMOS LDO的基本架構及簡單應用線路圖

LDO的以下幾個參數在手機設計中特別重要:

LDO的穩定性與瞬態響應。由于負載電流動態變化大,要求LDO的穩定性與瞬態響應性能好,否則導致系統工作異常。

PSRR參數。PSRR參數直接影響射頻模塊部分地接收靈敏度。如果用在音頻部分,能夠抑制手機中的EMI干擾,使聲音的表現力更好。

LDO的輸出噪聲。這直接關系到輸出電源的干凈與否。

LDO的啟動時間。啟動時間跟系統設計的上電時序息息相關,直接影響系統的工作與否。

LDO 推薦的PCB設計。在設計過程中,需要將輸入電容Cin與輸出電容Cout盡量靠近LDO。在LDO的應用中,熱設計往往是一個容易忽視的地方,需要考慮不同功率情況下選用合適的封裝,常見的有三種,SC70、SOT23和DFN-6。以射頻模塊部分供電為例,SC70封裝,本身允許散熱功率通常在0.2W以內:

PD=(Vin-Vout)*Iout+Vin*Ignd <0.2W

Vin=Vbattery=3.6V以上,Vout通常是2.8V,如果電流超過250mA會導致不穩定,而SOT23的封裝允許散熱在0.4W左右,更加適合該部分的應用。如果從芯片尺寸考慮,可以選用DFN封裝,可以兼顧散熱要求(PD>0.4W)。

SG MICRO(圣邦微電子)作為新興的半導體供應商,也推出了一系列的LDO產品:通用LDO(三端穩壓),射頻LDO(PSRR可以達到73DB@1kHZ),高精度LDO(滿負載0~300mA,全溫度范圍-40~125℃,精度1.6%)。以射頻LDO SGM2007為例,輸出噪聲為30μVrms,輸出壓差為300mV(全溫度范圍,全負載0-300mA),靜態功耗低至77μA,關斷電流小于10nA,PSRR在1kHz時為73db,216.67Hz為78dB。LDO SGM2007具有過熱保護和過流保護功能,啟動時間在20μS以內。

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