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        2. CMOS線性穩壓器基礎知識概述

          CMOS線性穩壓器概述

          CMOS線性穩壓器的歷史相對較新。他們開發了電池供電的便攜式電子設備。由于CMOS工藝已用于LSI和微處理器等大規模集成電路,因此它們一直在不斷小型化。充分利用小型化技術,CMOS線性穩壓器已成為便攜式電子產品中廣泛使用的電源IC,以實現薄型、低壓差和低電源電流。

           


          它們與雙極性線性穩壓器有何不同?

          通常,與雙極性線性穩壓器相比,CMOS線性穩壓器的電源電流更低。這是因為雙極性工藝是電流驅動的,而CMOS工藝是電壓驅動的。

          雙極晶體管 MOS晶體管

          雙極晶體管

          當基極電流導通時,電流在發射極和集電極之間流動?;鶚O電流必須導通才能獲得輸出電流

          MOS晶體管

          當電壓在柵極充電時,電流在源極和漏極之間流動。一旦電荷充電,就不需要電流來打開。

          電流驅動器件和電壓驅動器件

           

          不需要時鐘操作的線性穩壓器特別適合于實現低電源電流,因為在模擬工作電路以外的電路中,穩壓器的工作電流可能幾乎為零。

           

          雙極性線性穩壓器的一個例子是78系列多用途3引腳穩壓器。由于該系列的輸入電壓范圍高達30V~40V,并且該系列可以拉動1A以上的電流,因此該系列用于各種白色家電和工業設備。盡管如此,該系列的壓差并不低,因為該系列的輸出結構是NPN達林頓輸出。表1顯示了該系列的一些主要特征。

          產品系列 最大輸出電流 額定輸入電壓 工作電流 壓差電壓
          78xx 1安培 35V,40V 4-8毫安 2V@1A
          78兆 500毫安 35V,40V 6-7毫安 2V@352mA
          78Nxx 300毫安 35V,40V 5-6毫安 1.7V@200mA
          2V@300mA
          78Lxx 100毫安 30V,35V,40V 6-6.5毫安 1.7V@40mA

          多用途78系列穩壓器的主要特點

           

          盡管如此,雙極線性穩壓器所需的工藝數量約為CMOS工藝的一半或三分之二,因此,即使雙極性線性穩壓器的芯片尺寸更大,雙極性線性穩壓器也比CMOS穩壓器更具成本效益。因此,雙極線性穩壓器更適合大電流或高電壓使用。另一方面,CMOS工藝的小型化技術發展良好,具有低電壓、低壓差、小尺寸、低功耗等優點。

           

           

          CMOS在何處以及如何使用?

          CMOS線性穩壓器由于其低壓差和低電源電流特性,廣泛用于電池供電的便攜式電子設備。LDO(低壓差)穩壓器使電池的使用達到極限,因此穩壓器現在是手機、數碼相機和筆記本電腦等設備的基本電源IC,具有較長的電池壽命。由于LDO穩壓器具有以小輸入輸出電壓差拉出大電流的特點,同時將熱損失降至最低,因此它們可以滿足每個器件的寬電流范圍要求。

           

          一些低電源電流類型的穩壓器使用低于 1μA 的自供電電流。由于這一特性,當電子設備和無線應用(如移動電話)處于休眠模式時,這些類型的穩壓器可以將這些設備的供電電流保持在盡可能低的水平。由于這些穩壓器還可以提供CMOS小型化技術的優勢,因此它們為需要薄型和高精度的移動電子設備提供了巨大的潛力。

           


          封裝

          用于CMOS線性穩壓器的標準封裝是SOT-23和SOT-89。最近,像CSP(芯片級封裝)這樣的超小型封裝也已經上市。由于電源IC的發展是由移動設備的進步引領的,因此它們通常密封在表面貼裝的小型封裝中。圖1顯示了具有代表性的包裝。

          SOT-89封裝

          SOT-89: 標準小型功率模具封裝

          SOT-23封裝

          SOT-23: 標準迷你模具包

          USP-6C封裝

          USP-6C: USP 型標準包裝

          USPQ-4B04封裝

          USPQ-4B04: USP 型標準包裝

          USP-6B06封裝

          USP-6B06: USP 型標準包裝

          WLP-5-02封裝

          WLP-5-02: WLP 型標準封裝

          CMOS 穩壓器封裝示例

           

          CMOS可以做什么?

          線性穩壓器作為電源IC的前提是它們直接連接到電池或交流適配器,因此必須注意最大輸入電壓。CMOS工藝的IC設計規則隨最大輸入電壓的不同而變化,最大輸入電壓與微小型化技術呈反比關系;他們不會相互表現得像“越大為越小”。如果選擇高輸入電壓,則IC尺寸會更大,性能會降低,如果選擇小尺寸IC,則需要注意最大輸入電壓。有各種CMOS穩壓器,具有各種最大輸入電壓,適用于不同的應用。您應該通過仔細檢查設備的電源類型和所需性能來選擇最合適的電源

           

          CMOS線性穩壓器可分為低電源電流、大電流、高電壓、高速、LDO等。這些類別沒有嚴格的定義,但通常“低電源電流”是電源電流為幾μA的,“大電流”是可以拉動500mA或更大的電流,“高電壓”是電壓為15V至20V或更高的,“高速”是紋波抑制率約為60dB@1kHz的電流。“LDO”也沒有確切的定義。最初,它指的是PNP輸出和P-ch MOSFET輸出的低壓差輸出,而雙極性線性穩壓器的NPN發射極跟隨器輸出和NPN達林頓輸出的壓差輸出。圖2顯示了輸出晶體管的類型。如今,導通電阻轉換中小于2Ω@3.3V的值正在成為定義標準之一。

          NPN發射極跟隨器輸出

          NPN發射極跟隨器輸出

          NPN達林頓輸出

          NPN達林頓輸出

          控制電路必須比輸出引腳高0.6V(基極電壓),才能流出基極電流??刂齐娐酚奢斎腚娫垂ぷ?,因此需要0.6V的壓差電壓

          NPN 達林頓輸出由于電路由2個發射極跟隨電路組成,因此需要1.2V或更高的壓差。該電路可以輸出大電流,因為負載晶體管的基極電流可以被預驅動器放大。

          PNP晶體管輸出

          PNP晶體管輸出

          PMOS晶體管輸出

          PMOS晶體管輸出

          當輸入電壓低于基準電壓和/或施加柵極電壓時,晶體管導通。相對于輸出引腳電壓,輸入電源電壓沒有限制。壓差很小,因為如果存在基極電壓或柵極電壓,則電路工作,輸入電源電壓可以操作控制電路。

          輸出驅動器模型

           

          除上述類型的穩壓器外,還有根據需要通過芯片使能引腳實現具有ON/OFF功能的穩壓器,具有2或3通道的復合穩壓器,具有內置電壓檢測器的穩壓器等。如此廣泛的多樣性是CMOS的另一個特點。這是因為CMOS工藝可以很容易地放大電路并降低電源電流,因為它可以在電路單獨關閉時完全關閉特定的IC模塊。圖3所示為XC6415系列雙通道輸出穩壓器的原理框圖。本產品可以獨立開啟和關閉VR1和VR2。

          雙通道穩壓器框圖

          雙通道穩壓器框圖

           

          內部電路和基本結構

          內部電路由基準電壓源、誤差放大器、輸出電壓預設電阻器和輸出P-ch MOSFET晶體管組成。一些電路還具有恒流限制器、折返電路和用于保護目的的熱關斷功能。由于很難構建用于雙極性工藝的帶隙基準電路作為基準電壓源,因此通常使用的基準電壓源是CMOS工藝所獨有的。因此,與雙極性線性穩壓器相比,輸出電壓溫度特性往往略遜一籌。

          此外,內部相位補償和電路因穩壓器類型而異,例如低電源電流、高速和低ESR電容兼容。例如,低電源電流穩壓器通常使用兩個放大器,而高速穩壓器有時包含三個放大器。圖4所示為高速穩壓器的基本電路框圖。

          通過在前置放大器和輸出P-ch MOSFET晶體管之間添加一個緩沖放大器,緩沖放大器可以在高柵極容量下以更高的速度驅動負載P-ch MOSFET晶體管。輸出電壓可由分頻電阻R1和R2的值確定,限流值由分頻電阻R3和R4的值決定。每個值都是通過修剪精確設置的。許多高速型穩壓器與陶瓷電容器等低ESR型電容器兼容,因為它們主要用于無線應用和便攜式電子設備,因此需要小型化。

          高速型穩壓器基本電路框圖

          高速型穩壓器基本電路框圖

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-04-26 15:37
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