采用高效LDO为亚微米CMOS负载供电

摘要：论述数字IC的供电问题。关键词：数字IC供电；LDO；LP38853

如今几乎在每一件电子产品中，至少都有一块数字IC。如手机、超声仪器、服务器以及工业控制系统等产品中都带有进行数据处理的数字IC。著名的摩尔定律昭示了mP、DSP、FPGA和ASIC等数字IC的发展趋势：IC内集成的晶体管数量每两年增长一倍。在过去的几十年内，工艺的几何尺寸从1000nm(20世纪80年代末)减小到600nm、130nm、90nm直到65nm，目前正在向45nm迈进，从而使半导体制造商能在相同的面积内集成更多的晶体管。更多的晶体管意味着在相同的空间中将获得更多的功能或更好的性能，但任何事情都有利有弊。

数字IC的供电问题随着工艺几何尺寸的缩小，在一块芯片上集成更多的晶体管，以及更高的处理速度都将带来更大的功耗。为了克服功耗增大带来的问题，数字IC的核电压被不断降低。处理器的功耗可由下式给出：PCONSUMED = cV2f + VILEAK其中c是电容，V是核心电源电压，f是频率，ILEAK是泄漏电流。第一项cV2f 代表动态功耗，第二项VILEAK代表静态功耗。由上面的公式可以看出，随着处理器频率的提高，降低核心电压能补偿或降低处理器功耗。现在为降低功耗,需要提供更多的电源电压为系统供电。几年前，所采用的是标准的5V和3.3V电源电压，由于核心电压的降低，需要越来越多的电源电压，现在我们能看到的电源电压的种类有2.5V、1.8V、1.5V、1.2V和1V。这么多的电压使得电源的开启和关断变得越来越重要。一些数字IC在数据表中要求或建议电源电压必须在规定的时间内达到某一特定值，并且必须单调上升和/或追踪I/O。如果不能满足这些要求，不正确的电压开启和关断将会导致出现栓锁和可靠性问题。数字IC的另一个显著特点是负载电流是不断变化的。处理低级别任务或处于待机/休眠模式时,数字IC需要消耗较小的功率，当需要处理大量数据时，数字IC则需要消耗更大的功率。当为这些处理器设计电源时，负载瞬态响应是一个重要的规格。负载瞬态响应是指电源的输出电压如何对负载电流的突变做出响应。数据表中通常会给出输出电压瞬态行为的典型波形。电压过冲和下冲的幅度越小越好。

高效开关稳压器还是低噪线性稳压器？前面已经确定了数字IC和处理器对于电源电压的一些共同要求(更低的输出电压、正确的启动、良好的瞬态响应)，现在来选择是采用开关稳压器还是线性稳压器。当效率是最优先的考虑时，应采用开关稳压器。开关稳压器能实现超过90％的效率(取决于元件选择和工作条件)。当低噪声或缩短产品的上市时间是最优先的考虑时，应采用线性稳压器。由于不是基于开关结构，线性稳压器是“更安静”的电源。线性稳压器比开关稳压器更容易使用。因为不需要电感，所以其所需的外部元件较少，并且不需要复杂的计算来确定输出滤波器元件的合理取值。低压差线性稳压器(LDO)是一种比标准线性稳压器具有更低压差的线性稳压器。

为什么要在数字IC中使用低输入LDO?低输入LDO是为数字IC供电的优秀解决方案。它们能提供相当低的输出电压、恰当的启动以及良好的负载瞬态响应。低输入LDO能提供低输出电压，并提高系统的效率。线性稳压器的效率可以采用下面的公式进行估算：hLINEAR_REG = VOUT/VIN 其中VOUT是线性稳压器的输出电压，VIN是线性稳压器的输入电压。较低的数字IC核心电压决定了输出电压(VOUT)。例如，一个将3.3V输入转换为1V输出的标准线性稳压器的效率是30%(1V/3.3V)。由上式可知，降低输入电压能提高效率。具有一个偏置电源的低输入LDO，可以通过采用一个较低的VIN进行能量转换和一个独立的偏置电源为内部电路供电的方法来提高效率。 图1显示了一款低输入、低输出、低压差的线性稳压器LP38853的内部框图。IN引脚电压被施加到内部N沟道传输FET来进行转换，而BIAS引脚为内部电路供电。例如，1.5V输入、3.3V偏置和1V输出的效率为67%(1V/1.5V)，这比采用3.3V输入时所达到的30%的效率有了很大提高。

图1 带有偏置电源的低输入LDO LP38853-ADJ的内部框图当选择LDO对数字IC进行供电时，诸如软启动和使能引脚等特性能确保正确的启动。通过内部基准(参见图1)控制VOUT的上升时间可以实现软启动功能,减小启动时对输出电容充电的电流浪涌。可以通过一个电容来设定由应用和处理器所确定的软启动时间。在具有数字IC的系统中，多电压是一种常见的配置。ENABLE引脚提供了启用或禁用每个稳压器的方法，这样就不会出现栓锁或过量电流泄放的情况。图2显示了一种采用低输入LDO对数字IC供电的典型电路，该电路采用电源序列发生器LM3880来确保正确的启动。LM3880能控制多个稳压器的EN引脚，按适当的次序提供核心和I/O电压。

图2 采用LM3880三路序列发生器的典型电源启动电路低输入LDO还能提供良好的负载瞬态响应。当评估相似的产品时，应检查测试条件，以确保比较的合理性。增大输出电容会极大地影响负载瞬态响应。大输出电容会减小由负载瞬变引起的电压过冲/下冲的幅度。图3显示了低输入LDO LP38853在采用两个不同的输出电容时的负载瞬态响应情况。电压过冲/下冲的幅度越小越好。采用低输入LDO为数字IC供电数字IC工艺的几何尺寸不断缩小的趋势使设计工程师面临功耗的挑战。当选择一款稳压器时，应考虑功耗的增加、核心电源电压的降低，以及多电源等因素。当易用性和上市时间是最优先的考虑时，低输入线性稳压器是电源的理想选择。最新的LDO能进行从低输入到低输出的转换从而提高效率，具有确保在多电压系统中正确启动的特性，以及出色的负载瞬态性能。

参考文献：1.

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