针对移动设备选择合宜之LDO线性稳压器元件
- DIGITIMES企划
-
智能移动电话、多媒体播放器、平板电脑等产品，纷纷朝向更轻、更薄、更小的设计方向发展，但手持装置的功能越来越丰富，也相对造成电源电路设计愈趋复杂化，其中线性稳压器LDO的应用角色就显得更加重要...
LDO(Low Dropout Regulator)线性稳压器，可用来控制电路中特定模块区块、功能区块，以稳定、定额的电压供给，避免外部电源状态改变造成电子元器件因过压产生故障问题。
在一般电路设计中，像是控制输出电压的应用环境，大多会采用如78xx系列的芯片产品调整供应电压，但实际上78xx系列芯片产品的使用条件不佳，因为这类产品要求外部电压需要高出输出电压至少2~3伏特以上才能正常运作，若是输入？输出之间没有足够的压差，就会造成元件无法正常运行。
DC-DC电源转换元件 需针对设计需求进行挑选
以上述的条件看来，这种使用模式并不容易达成，因为在数码电路中的电压配置，主线路多数为采取5伏特，若线路因区块功能要求，需要DC-DC转换成3.3伏特，因为输入与输出压差过小，采取78xx系列芯片的应用方案在该设计中就会产生问题。
对于开发人员来说，传统DC-DC元件限制，造成线路设计上的困难，而且旧有元件本身的静态电流往往也无法满足新设计所要求的低功耗、高电池续航力之设计要求，面对移动设计方案在功耗的极致追求与更小的载板空间设计限制，选用DC-DC转换方案必须采取不同的用料选择。
尤其是为了达到设备低功耗的设计目的，多数移动设备会针对不同使用情境，设计两至三种工作模式。例如，待机模式下采取系统待命，以低功耗运行，同时关闭高耗能之显示屏与相关驱动电路；而一般使用情境为SoC在50%或75%效能状态下运行，搭配部分高耗能模块动态电压调整运行效能；仅有在高效能模式才以SoC全速运行，同时为了强化系统反应达最佳效能，电力供应会是维持系统高效运作下的最大输出值。
针对不同运行模式设计电源组态 让设备功耗表现更佳
因此，移动设备在不同功耗设定下因应多种运行模式，搭配灵活的电力区域调配设计，可让设计装置在最佳化的电源管理型态下运作，自然可以达到最佳化的电源使用效率，有效延长移动设备的电源供应时间。
但为了达到多重工作目的的电源供应组态调校，对于电力系统设计来说，可以令系统供电状态达到极大的电流差异。例如，在系统休眠状态下可能仅需数微安培就能维持系统运行所需电力，但在全速运行状态下电源系统采全力输出时，系统耗用电流可以达到数十至数百毫安培，DC-DC元件必须自数微安培至数百毫安培均可因应调整，同时在元件本身的静态电流亦必须尽可能减低，以维持最佳耗能设计。
采行LDO低压线性稳压器，是目前电子电路设计常见的电源系统模块设计，而且LDO低压线性稳压器的应用方案选择，与LDO低压线性稳压器本身应用方案的弹性，都会直接影响设计系统本身的设备功耗表现！LDO低压线性稳压器必须确保有良好的动态调整效能，同时又必须维持极低的静态电流、维持系统低功耗表现，还要确保可稳定、极低噪讯前提下供应转换电源，同时还需针对高敏感整合电路提供稳定、安全的电源供应。
LDO规格要求高 从元件规格与开发需求筛选
而系统开发者对于LDO的要求往往是互相矛盾的，像是要维持低功耗同时需要LDO维持高输出状态，这也对于LDO元件的设计难度相对提高，而想找到合用的LDO元件困难度也高，实际设计方案也应该因应所选用的LDO元件进行适度变更设计，让LDO效益能有效发挥。
针对低功耗产品设计方案选择LDO，一般选用料件会先自产品所需的电压输入？输出与电流规格、IQ(或称IGND，静态电流规格)进行料件查找，但LDO视设计差异，通常一般规格可以说是极为相似，但在动态性能的表现差异就会差距相当多！这也造成相关料件选用时的困扰。
实际上，选择LDO元件除了输入电压范围、预期输出电压准位、负载电流范围与LDO本身的封装型态、功耗等信息外，针对电力供应敏感型设计的移动设备而言，静态电流数据、PSRR(Power Supply Rejection Ratio)电源抑制比、噪讯处理状态与封装尺寸等，都是决定用料的关键。
不同电力供应来源 也会间接影响LDO效能表现
对于输入电压范围，多数LDO元件已可因应不同化学材料的电池供电系统规格(如电压、电流等)，像是锂聚合物电池、锂离子电池约在2.7~4.2V(额定电压为3.6V)，镍镉(NiCd)/镍氢(NiMH)电池约在0.9~1.5V(额定电压为1.2V)、AA/AAA电池电力在0.9~1.5V(额定电压1.5V)等，大多已能直接支持，这部份反而需要烦恼的问题极少。
但是在输入？输出与降低电压方面，LDO的规格要求考量会较复杂一些，而确定LDO是否能适用所需的设计方案，主要可以看其可预期的输出电压规格，这需考量到压降问题，基本上输入电压必须高于输出电压，其公式可写成Vin>Vout+Vdropout，若在设计方案中Vin电压过低，这会令LDO出现压降问题，而压降的突然变化也会使得PSRR在压降现象产生时同步显得比表现低落。
LDO的封装形式与功耗表现
LDO另一个影响较大的设计关键，在于LDO本身的封装型态与元件功耗表现。尤其是移动类型的设计方案，因移动携带需求，不只是载板空间大幅缩减，电子元器件也必须大幅整合或缩小料件占位面积，而LDO采芯片级封装而大幅缩小产品体积，也是相当常见的重点用料方案。
电源器件常用SOT-23(Small Outline Transistor)或SC-70封装方式，使用芯片等级封装可用更小的体积完成元件设计，现在LDO热门封装设计为3 x 3mm的SOT-23，或是小型化的2.13 x 2.3mm SC-70封装，甚至有封装高度低于1mm的设计方案，另还有ThinSOT与无引脚型态的QFN(Quad-Flat No-leads)封装，相较SOT其实QFN可在器件与载板之间处理高效散热之接触型散热垫，这可让电源器件的散热效率变高，而功耗方面，一般封装越小、功耗越低，可在实际选料时进行评估。
另静态电流IQ也是评估LDO常见的关键数值，基本上IQ的影响会视采行的电力系统而有略微差异，因为电池在不同化学材料的特性表现，也会影响其放电曲线，而对于二次电池来说，某些状况的电压下降会让电池寿命产生影响，而硷性电池供电的终端设备因为其放电速度慢，并非IQ越低电池续航力即相对较长，必须在Vin来源不同与IQ参数一同考量评估。
LDO导入电源设计 选用外部电容也是重点
在LDO导入设计时，大多典型的应用都需要增加输入与输出端的电容器来搭配使用。一般设计方案中会选择较低ESR(Equivalent Series Resistance)等效串连电阻的电容，来进行电路设计，以低ESR的电容来改善LDO的PSRR表现。基本上所谓低ESR值的定义，因为理想电容器应为0电阻，但实际上电容器的相关材料仍存在一定程度的电阻值、与电容绝缘体的阻抗表现，使得电容器元器件像是有个等效电阻串接，ESR即为此等效电阻值的参考数据。
避免串接LDO的电容因为本身压降造成输出电压变化过大，一般都是选用低ESR值电容进行电路设计，这也可让电源噪讯降低、并提高瞬态性能。在实际使用时会搭配陶瓷电容较佳，因为陶瓷电容单价相对较低，且元件故障为电容呈现断路。
反观高单价的钽质电容器因为故障状态为短路，就较不适合使用。在性能表现方面，陶瓷电容较不会受环境温度影响，即便有影响，也是极微小的变化；但钽质电容就不同，钽质电容的ESR值会随温度产生较大变化，直接影响LDO运作效能。对于温度变化不大的设计方案来说，选择钽质电容较佳；但对于温度变化较大的设计方案来说，选用陶瓷电容搭配LDO较佳。
