电压调整器相关基础知识(1/4)

CMOS线性调整器的基础知识

CMOS线性调整器的历史并不悠久,是随着便携式电子仪器事业的成长而发展起来的。由于CMOS工艺应用于LSI、内存等大规模集成电路,正在日新月异地变得更微细化。应用微细化技术,CMOS线性调整器实现了小型、低压差、低消耗电流等,作为便携式电子仪器的电源IC被广泛应用。

与双极线性调整器的区别

通常CMOS线性调整器与双极线性调整器相比消耗电流小。这是因为双极工艺属于电流驱动元件而CMOS工艺是电压驱动元件。(图1)

(图1)Current-Driven Device and Voltage-Driven Device

Bipolar Transistor

Bipolar Transistor

Current runs between the emitter and the collector when base current is on. Base current must be on to get output current.

MOS Transistor

MOS Transistor

Current runs between the source and drain when voltage is charged at the gate. Once electric charge is charged, current is not needed to turn on.

特别是像线性调整器之类不需要按时钟频率工作的场合,能把工作于模拟电路以外的电路工作电流抑制为0,适用于有低消耗电流要求的电路。

双极线性调整器中有通用的78系列三端子调整器。输入电压范围高达30V~40V,亦可提供1A以上的大电流,因而大多被采用于白色家电或生产机械。因为输出端子为NPN复合晶体管输出结构而不存在低饱和状态。表1中记载了作为双极型线性调整器代表性产品78系列的一部分主要特性。

表1 The Major Characteristics of Multipurpose 78 series Regulators
Product Series Maximum
Output Current
Rated Input
Voltage
Operating
Current
Dropout Voltage
78xx 1A 35V, 40V 4~8mA 2V@1A
78Mxx 500mA 35V, 40V 6~7mA 2V@350mA
78Nxx 300mA 35V, 40V 5~6mA 1.7V@200mA
2V@300mA
78Lxx 100mA 30V, 35V, 40V 6~6.5mA 1.7V@40mA

双极线性调整器工艺的生产程序较少,只有CMOS工艺的生产工程数的二分之一至三分之二,即使芯片尺寸大也具有成本低的优点。因此可以认为最适用于大电流,耐高电压的场合。相反,CMOS工艺的微细化不断进步,具有低电压、定饱和、小型、低消耗电流的特征。

CMOS被应用在哪些方面

特别是CMOS线性调整器,充分利用其低压差和低消耗特性,活跃在使用蓄电池的便携式电子仪器方面。此外,备有被称为LDO(低压差线性稳压器)的饱和度非常低的调整器。因为LDO可以把蓄电池用尽而延长蓄电池的使用时间,为手机、数码相机、个人电脑所必需等的电源IC。此外,LDO用很小的输入输出电压差能提供大电流,既能抑制热损耗又能流动大电流,有利于扩展仪器所需电流的范围。

低消耗电流型调整器中有能把自身消耗电流抑制在大致1μA的产品,能力图降低电子仪器待机状态、手机等无线仪器等待收信状态时的消耗电流。因为利用了CMOS工艺的微细化技术,在要求具有小型并且电压精度高的便携式电子仪器方面具有较高的利用价值。

外观

标准产品均装入SOT-23或SOT-89小型封装。最近还推出了超小型化封装USP等产品,其特征在于由便携式仪器引导而发达的电源IC中许多是封入在表面实装中的小型封装。照片1中介绍了代表性封装。

[照片1] Examples of CMOS Regulator Packages

SOT-89: Standard Mini Power Mold Package

SOT-23: Standard Mini Mold Package

USP-6C: USP-type Standard Package

USPQ-4B04: USP-type Standard Package

USP-6B06: USP-type Standard Package

WLP-5-02: WLP-type Standard Package

特征和分类

因为电源用线性调整器把与蓄电池或AC适配器直接连接作为前提,所以必须注意输入电源的耐压性。特别是CMOS工艺,根据输入电源耐压要求其IC的设计规则有所区别,输入电源的耐压要求和微细技术的关系存在着矛盾性。如以优先大忽视小的观点选择输入电源耐压性高的产品,则会增大IC尺寸导致性能降低;如选择小型IC则需注意输入电源的耐压性。

为了适应CMOS线性调整器各种各样的用途而备有多种型号的输入电源用耐压IC产品,请考虑所使用的仪器种类及必要性能进行选择。(表2)

(表2) Product Categories by Operating Voltage (Three-terminal voltage regulators)
Operating Voltage Product Series Package
USP-3 SOT-23 SOT-89 SOT-223 TO-252
1.5V ~ 6V XC6218        
1.8V~6V XC6206      
2V ~ 10V XC6201        
2V ~ 20V XC6202    
2V~28V XC6216    

CMOS线性调整器分为低消耗电流、大电流、耐高压、高速、LDO等类型。各种类型并不存在严密的定义。低消耗电流指消耗电流大致为数μA的产品、大电流指输出大致为500mA以上的产品、耐高压指15V~20V以上的产品、用高速和纹波抑制率来表示的产品大多是应用于60dB@1kHz左右的产品。LDO也同样不存在严密的定义,本来是指对于双极线性调整器的NPN发射放大器输出或NPN复合晶体管输出等需要具有输入输出电压差的产品,用于表示PNP输出或P沟道MOS输出的低饱和输出能力。(图2)

最近也有把导通电阻换算为大致2Ω@3.3V以下作为基准的表示方法。

(图2)

NPN Emitter Follower Output

NPN Emitter Follower Output

Control circuit must be higher by 0.6V (base voltage) than the output pin, in order to flow base current. The control circuit is operated by input power source, so dropout voltage of 0.6V is needed.

NPN Darlington Output

NPN Darlington Output

1.2V or more dropout voltage is needed as the circuit consists of 2 emitter follower circuits. The circuit can output large current because the base current of load transistor can be amplified by the predriver.

PNP Transistor Output

PNP Transistor Output

PMOS Transistor Output

PMOS Transistor Output

A transistor turns on when input voltage is lower than base voltage and/or gate voltage is applied. There is no limit on input power source voltage in relative to output pin voltage. The dropout voltage is small because the circuit operates if there is the base voltage or gate voltage, and input power voltage that can operate control circuit.

此外,具有附带CE端子按需要实施导通/停机的功能、双沟道或3沟道等复合调整器、内置电压检测等多种类型的产品也是一个显著的特征。因为这些CMOS工艺分别应用于大规模电路或IC内部各个组成部分,当各个部分停止工作时,能容易地使整个组成部分成停止工作状态而降低消耗电流。图3表示双通道输出的XC6415系列各个组成部分的方框时序图。该产品的VR1和VR2能各自独立地接通或停止工作。

图3 Block Diagram of 2-Channel Regulator (XC6415 Series)

<XC6415 AAseries>

<XC6415 AAseries>

内部电路和基本结构

内部电路中包含基准电压源、误差放大器、预先调整输出电压用电阻、输出用P沟道MOS晶体管。此外还备有作为保护功能的定电流限制或限流电路(foldback电路)、过热停机功能等。

IC内部的基准电压源中难以构成双极工艺所使用的带隙参考电路,大多采用CMOS工艺所特有的产品,其输出电压的温度特性与双极线性调整器相比稍有逊色。

此外,低消耗电流型、高速型、与低ESR电容对应等,能改变各自内部的相位补偿或电路构成。低消耗电流型通常由2级阶放大器构成,高速型则在使用同时满足低消耗电流和高速瞬态响应的3级放大器方面进行了探讨。图4表示了高速型的内部电路图。

在初级放大器和用于输出的P沟道MOS晶体管之间加入缓冲用放大器,能高速驱动输出用P沟道MOS晶体管的门极容量。输出电压由R1和R2决定;限定电流值由R3和R4决定。由于各自能微调而设定了良好的精度。特别是高速型多用于无线电仪器或便携式电子仪器,而且具有小型化要求,大多能与陶瓷电容等低ESR电容相对应。

图4 Basic Circuitry Block Diagram of High-Speed Type Regulator

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