盡管開關穩壓器已步入聚光燈下,但就個人而言,低壓差穩壓器(LDO)仍是我心目中的“白月光”(或許腦海中亦是如此)。原因之一是LDO只專注于一件事情,性能出色且操作簡單,既不讓人頭痛,也沒什么意外。而且我最先接觸的功率調節裝置就是LDO,而在我實際開始構建電路的時候,它的性能表現也相當不錯。即使是現在,需要數伏電壓、約1A電流的電源軌時,我首先想到的仍是LDO,這種只有三個端子的基礎元器件,而不是開關穩壓器。
LDO的能效不如開關穩壓器,這一點是眾所周知的。但是在1A左右的小電流情況下,兩者的區別并不大,而且在特定設計中,影響亦不大。若電流不止數安,這種差距就會比較明顯,此時LDO就不太適用了。不過,除非是需要超低噪聲的電源軌,否則亦無需使用性能出色且噪聲極低的開關穩壓器。除此之外,雖然可以在幾種類型的LDO之間并聯低阻值的泄放電阻以平衡電流,但布局、封裝、BOM和量化性能等方面就會因此變得復雜。
盡管如此,LDO依然是工程師BOM包中的重要組件。正因為操作簡單,所以很多設計人員都像撒芝麻一樣,把LDO“撒”在印刷電路板上所有需要調節電壓的地方,如IC和子電路的周圍,以此最大限度地降低電源軌的IR壓降,減少噪聲拾取以及因電源與負載間距較遠而產生的其他問題。
不過,我估計應用LDO的基礎設計導入或許很快就會退出歷史的舞臺。目前,在簡易性、尺寸、無需外部電源(或仍需要)和總體設計導入的便利性方面,密封式小電流開關穩壓器的屬性都與LDO水平相當。如果在電路中對這些密封式開關穩壓器和LDO進行“黑箱”測試,通常很難區分1安LDO和多安密封式開關穩壓器。
此外,雖然LDO只能降壓,但市面上卻有降壓、升壓,甚至升/降壓開關穩壓器,后者能夠在兩種模式之間進行無縫轉換。這一功能非常重要,許多電路都由單一的鋰電池來驅動,因此需要升/降壓模式來將電池從滿電量狀態調節到稍微放電的狀態。
以LTM8074(LTM8074EY#PBF)為例,這是AnalogDevices推出的一款SilentSwitcherμModule穩壓器(圖1)。該穩壓器具有寬輸入電壓范圍(3.2至40V)和寬輸出電壓范圍(0.8至12V);可連續輸出1.2A電流(24V輸入電壓和5V輸出電壓的情況下);輸出電壓為3.3V時,可以達到1.75A的峰值輸出電流。不過,真正吸引我的還是它的尺寸。作為一款BGA設備,該穩壓器的尺寸僅為4mm×4mm×1.82mm(厚)。
只需兩個電容器(1μF和10μF)和兩個電阻器即可工作。與LDO一樣,即插即用,但是封裝更小而功率更大。談及開關穩壓器,自然就會聯想到電感器。該開關穩壓器封裝內部嵌入電感器,因此對設計人員而言,電感器算不上BOM的一部分,也不會占用額外空間。此外,開關穩壓器的EMI輻射也相當低,幾乎與LDO相當(圖2)。
還有另一款類似于LDO的微型開關穩壓器,即TexasInstruments的LMZ10501(LMZ10501SILR)。這款1A微型模塊的輸入電壓范圍為2.7至5.5V,輸出電壓范圍為0.6至3.6V(圖3)。
LMZ20501只需三個陶瓷電容器和兩個電阻器即可工作,電感器集成在8引腳microSiP封裝內,尺寸僅為3.00mm×2.60mm(圖4)。有一點很明顯:它看起來并不像標準通用IC。
一直以來,LDO在尺寸和易用性方面都擁有比較明顯的優勢,而這些微型開關穩壓器的性能甚至可以與小電流LDO相媲美。例如,MaximIntegrated的MAXM15462是一款高能效同步降壓DC-DC模塊,集成了控制器、MOSFET、補償元件和電感器,并能夠在寬輸入電壓范圍內工作(圖5)。該模塊的輸入電壓范圍為4.5至42V,而可編程輸出電壓范圍為0.9至5V,輸出電流最高可達300mA。該模塊采用2.6mm×3mm×1.5mm的小尺寸uSLIC?封裝,只需三個電容器(兩個1μF,一個10μF)和兩個電阻器即可工作。
相比同等屬性的LDO,這些微型開關穩壓器的優勢不僅僅只是更小、更高效。根據所選設備的不同,它們還具有其他的優良特性(有時是非常必要的),例如軟啟動(以減少輸入涌流)、電源良好引腳和可編程欠壓鎖定(UVLO)閾值等等。
有時候我們不得不放棄曾經的偏愛,才能從科技進步中獲取便利。我曾經見過工程師在新產品設計中使用了二十年前的運算放大器,這主要是因為他們更熟悉這種運放的特性,用起來更順手。雖然就某種程度而言,這種策略算是明智,但也有可能會對最終設計造成阻礙,使之無法實現功能更多、花費更少或體積更小。
每年或許仍有無數人將LDO等電源穩壓器應用于新的設計導入方案。然而,低功耗開關穩壓器在增強性能、穩定運行、易于使用和提高能效方面擁有更多優勢,而且以很小的封裝實現了所有上述功能。盡管最初的沖動可能是將熟悉的LDO納入BOM,但如果完全不考慮開關穩壓器的話,也可以算得上是專業失誤。
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