设计指南：CMOS线性稳压器的基础知识

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基础知识

CMOS线性稳压器的历史并不悠久，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。CMOS线性稳压器实现了小型、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。

与双极性线性稳压器有何不同？

通常CMOS线性稳压器与双极线性稳压器相比消耗电流小。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）

特别是像线性稳压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。

双极线性稳压器中有通用的78系列三端稳压器。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稳压器代表性产品78系列的一部分主要特性。

双极线性稳压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线性稳压器，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）的饱和度非常低的稳压器。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。

低消耗电流型稳压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。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。

特征和分类

因为电源用线性稳压器把与蓄电池或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线性稳压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)

CMOS线性稳压器分为低消耗电流、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稳压器的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。

此外，具有附带CE端子按需要实施导通/停机的功能、双通道或3通道等复合稳压器、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。

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稳压器相比稍有逊色。

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。

CMOS线性稳压器的重要特性

下面将解释有关线性稳压器的电气特性。在此列举了输出电压精度、消耗电流、输入稳定度、负载稳定度、输入输出电压差、输出电压温度特性等基本性能。这些都属于稳压器系列的本质性特性。针对CMOS线性稳压器，与双极线性稳压器相比并不存在任何可以忽视的项目。

线性稳压器的基本特性

表3表示CMOS稳压器的一般性电气特性。

纹波抑制

CMOS线性稳压器虽然按用途分类多种多样，但按性能大致分为有重视低消耗电流的稳压器和重视瞬态响应的高速LDO。由于这些区别对于跟随输入电压或输出电流的变化而不同，所以只用一般的DC特性难以表现。因此最近为了表示CMOS线性稳压器的基本特性，还包含了纹波抑制率。用以下的公式来说明纹波抑制率

纹波抑制率＝20×Log（输入电压变化／输出电压变化）

图5中介绍高速稳压器XC6223系列的纹波抑制特性。此外，图6中表示了实际的波形。用正弦波表示输入电压的峰-峰值为1V时，可读出改变频率时输出电压的纹波特性。

根据图5中频率为1kHz时的纹波抑制率为78dB，与输入电压变化为1V相对应，可得出输出电压的变化为0.1mV左右；虽然用图6的示波器不能确认这一结果，但从示波器能确认当频率为100kHz时，纹波抑制率为40dB左右，输出的纹波电压约为数mV左右。

输入输出电压差

接下来，介绍作为表示线性稳压器基本性能之一的输入输出电压差。特别是CMOS线性稳压器，基本上都是输入输出电压差非常小的LDO型。这是因为其目的在于把电池用尽为特征。图7表示输入电压和输出电压的关系。很明显输入输出电压差非常小。

此外，按字面解释输入输出电压差是表示输入电压和输出电压的电压差，由此说明“只要输入电压和输出电压之间存在一定的电压差即可汲取相对应的电流”。作为参考，图8表示XC6222x281的输入输出电位差特性例。例如把输出电压设定为3V的稳压器，为了得到600mA的输出电流，必须有300mV的输入输出电位差，即需要3.1V的输入电压。

最近的LDO，由于P沟道MOS驱动器的驱动性能不断得到提高，只要有一定程度的输入输出电压差，几乎不存在任何电压下降即可使输出电流达到限定电流值。

瞬态响应特性

瞬态响应特性是指输入电压或负载电流成台阶形变化时的追随特性。随着电子仪器的数字信号处理中采用触发模式，LSI或内存IC的负载电流的变化变得更大。因此要求不断提高稳压器能追随其变化的瞬态响应特性。瞬态响应特性中包含输入瞬态响应特性和负载瞬态响应特性，线性稳压器的瞬态响应特性依从于电路的消耗电流。

在此着眼于基本的内部电路方框图(第一讲 图4)中表示的误差放大器和输出用P沟道MOS晶体管的门极容量。CMOS线性稳压器中装有较大的输出用P沟道MOS晶体管，为了驱动该P沟道MOS晶体管所需要的误差放大器输出阻抗和MOS晶体管门极容量基本上决定了响应速度。此误差放大器的输出阻抗决定于电路中的消耗电流。消耗电流越大则阻抗则越低，既能得到高速响应。

高速型产品中插入了用于提高驱动能力的缓冲器，缓冲器还能起到放大器的作用，由此形成初级（误差放大器：40dB）＋（缓冲器20dB）＋（输出用P沟道 MOS晶体管：20dB）的三级放大。因此，高速型产品用开路环增益形成了具有80dB以上灵敏度的反馈系统。对输出电压的变化反应灵敏并且能高速地响应。实际上从图9观察高速型产品的负载瞬态响应波形，可以得知经过数μ秒后开始恢复由负载电流的变而引起的输出电压变化。

此外，负载瞬态响应得到日新月异的改善。从图10中对高速型的XC6221和低消耗电流型的XC6219负载瞬态响应进行的比较可以明确，与XC6219的电压下降大致为220mV相比，XC6221的电压降为120mV，大约改善了50%。各个型号都是采用SOT-25封装的IC，虽然各自的P沟道MOS晶体管的体积不变，但可观测到波形明显不同。

CMOS工艺中使用的硅底盘备有P型和N型2种类型。一般来说，P型硅电路板可以提高输入瞬态响应时或纹波抑制率的特性。这是因为P型硅电路板中，硅电路板的VSS接地，硅电路板上形成的电路具有不易受电源影响的结构。图11表示在P型硅片上形成的反转器电路。特别是IC内部的基准电源等，有利用这种结构特性制造的不易受来自外部噪声影响的产品。现在，几乎所有的型号都采用了P型电路板。

虽然最近的LDO产品具有非常高速的瞬态响应及良好的负载瞬态变动的追随性，但由于响应过快，在电源线路中连接器的连接部位、布线的盘绕等处引起阻抗的情况下，电源线路将受到干扰。不仅不能充分发挥高速稳压器的性能，而且还会影响其他线性稳压器的输出。为了不引起电源线路上产生阻抗，须特别注意PC电路板上布线的盘绕方式。

输出噪声特性

输出电压的噪声包括由IC内部预先调整输出电压用电阻所产生的热噪声被误差放大器放大而输出的白噪声。因为（IC内部预先调整输出电压用的）阻抗高时更容易形成热噪声，备有（IC内部）把消耗电流调整为70μA的超高速/低噪声CMOS稳压器。图12表示其噪声特性。

CMOS线性稳压器的保护功能

上一讲中的基本特性已经理解了吗？电气特性是作为理解线性稳压器最重要的启发点必须牢记。作为电源IC的线性稳压器，一般情况下都具备某些保护功能。在此对主要保护功能进行说明。

限定电流·过热保护

一般来说，作为过电流保护功能有稳定电流限流电路和抑制电路；作为过热保护功能有过热停机电路。

图13表示了稳定电流限流和抑制电流的工作特性事例。当输出电流将达到240mA时，首先稳定电流限流电路工作。依此逐渐降低以至抑制电路开始工作，与电压下降的同时减小输出电流。最终当输出端子成短路状态时输出电流降低到60mA左右，例如当输入电压为4.0V时的热损耗为4V×60mA能抑制到240mW左右。

CE/CL放电

最近的CMOS线性稳压器附带了与稳压器的接通/停机同步，使残留在输出电容的电荷自动放电的功能。这是考虑了便携式电子仪器的电池效率的功率管理功能，与各个部分切断电源的时机相同使残留在电容上的电荷放电，缩短了等待电容放电的时间，容易安排各个部分的接通/停机顺序。图14表示了由附带高速放电功能的XC6221系列CE端子在停止电路工作时的输出电压波形。可以观测到当CE端子电压达到0V（低电平信号输入）时，CL电容的残留电荷高速放电的状况。

线性稳压器的相关技术

封装工艺增加容许损耗

线性稳压器的热损耗决定于输入电压和输出电压、输出电流的关系。

热损耗（Pd）＝（输入电压－输出电压）×输出电流

实际上制造仪器时如何改良封装的散热问题是极为重要的。高效率地散热的封装中有USP封装。封装背面搭载IC硅片的金属芯片暴露在外表，能从芯片向PCB基板散热。（照片2）散热量决定于PCB基板的金属面积，图15表示USP-6C封装的散热特性事例。对于USP-6C自身存在120mW的容许损耗，当薄铜片的面积为800mm²时损耗为1W，增加薄铜片的面积能获得更大的容许损耗。图16中介绍了作为评价损耗时使用的电路板。

激光微调

CMOS线性稳压器的输出电压已被预先设定几乎不能用外置电阻来调整输出电压，而由0.1V或0.05V间隔的输出电压来弥补。这是因为应用了容易设定任意高精度电压的激光微调技术。因为CMOS工艺难以制作如（注1）所示的类似双极晶体管带隙参考电压的稳定基准电压源，把用于预先设定输出电压的电阻更改为激光微调可以把内部基准电压的不规则分散值设定为任意的电压值，同时，也是确保输出电压精度的一般方法。（图17）

一般产品的输出电压精度为±2%，高精度产品为±1%。根据产品的不同，对不同的工作温度范围规定了输出电压精度。

（注1）带隙参考电压

用双极晶体管的功率带隙和电阻，利用与绝对温度成比例的电压温度系数的相反性，而得到能与温度相对应的稳定电压的电路。