超低功耗LDO线性稳压器

一、前言
在智能终端高速发展的今天，如何延长电池的使用寿命就成为了电子设计人员的重要课题。目前市面上的MCU等处理器处于休眠模式时，功耗可以达到1uA以内。由于设备大部分时间处于休眠状态，因此线性稳压器LDO的静态工作电流就决定了电池的使用寿命。
上海英联电子推出了UM153XX、UM154XX系列超低静态工作电流的LDO，其典型值仅有1.2uA（Vin=5V）。适用于穿戴式产品、便携式产品以及需要备份电池供电的设备，可以有效延长电池使用寿命。
二、UM153XX、UM154XX的重要参数
英联的UM153XX、154XX系列是超低静态工作电流的电压稳压器(其原理框图见图1),可使用1μF以上的陶瓷电容器作为输出电容。输入电压范围：2.2V～5.5V，输出电压范围为1.3V～5V。


图1：超低静态工作电流LDO的原理框图

UM153XX系列提供两种封装供客户选择，SOT23-3、SOT89-3，与市面同类型芯片兼容。UM154XX系列带有使能管脚，封装为SOT23-5。，其主要参数如表1所示：


表1：特性参数表

1、静态电流Iq
静态电流为输出电流与输如电流的差，LDO的效率与输入、输出电压和静态工作电流有关。效率可由以下公式算出：
效率=(Vo×Io)/((Io+Iq)×Vin)×100%
由公式可看出，当LDO处于轻负载情况下，静态电流就显得尤为重要，Iq值越小，效率越高。图2为UM153XX系列LDO的Iq值在不同输入电压情况下与同类低功耗LDO的对比，由图2可看出，UM153XX在低压供电情况下，有明显的优势。


图2：静态工作电流随输入电压变化图

2、动态负载调整（△VOUT）
当输入电压一定时，输出电压随负载电流的变化而产生的变化量。只要负载电流变化缓慢，大多数LDO都能轻松地保持输出电压接近恒定不变。然而，当负载电流快速改变时，输出电压也将随之改变。当负载电流发生变化时，输出电压的改变量决定负载瞬态性能。当负载电流由1mA瞬时变为100mA时，UM153XX系列LDO的输出电压变化量仅为10mV。


图3：负载瞬态响应

3、压差（△VDO）
压差可表示为Vdrop，是指保持电压稳定所需的输入电压与输出电压之间的最小差值。当输入电压下降到一定程度时，输出电压将不能维持在一恒定值。其具体算法如下：
输入电压为VIN = VOUT(s)＋1.0 V时的输出电压值为VOUT3，缓慢降低输入电压（VIN），当输出电压降至为VOUT3的98%时，此时的输入电压（VIN1）与输出电压的差即为输入输出电压差：Vdrop = VIN1－（VOUT3×0.98）
压差应尽可能小，以使功耗最小，效率最高。负载电流和结点温度会影响这个压差。最大压差值应在整个工作温度范围和负载电流条件下加以规定。在非调整区域，Vdrop的值呈线性变化，图4为UM15333的压差随输出电流变化的曲线图。


图4：Vdrop曲线图

4、过载电流保护
UM153XX系列LDO为了保护输出晶体管免受过大的输出电流，以及VOUT管脚—GND管脚之间短路的影响，内置了过载电流保护电路。最大限流300mA，负载电流小于限流时，输出电压即可恢复为正常值。

三、应用注意事项
1、电容的选择
输出电容及其等效串联电阻ESR，将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。为了确保输出的稳定性，如果使用1μF输出电容，请尽量选用ESR值为0.3Ω或以下的，推荐X7R或X5R陶瓷电容。另外，LDO要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化，输入电容器因应用电路的不同所需要的容值也不同。电容值越大，LDO的瞬态响应性能越好，缺点是会延长启动时间。在电源的阻抗偏高的情况下，当IC的输入端未接电容或所接电容值很小时，会发生振荡，请加以注意。
2、封装的选择
SOT23-3的最大额定功率为0.4W，SOT89-3的最大额定功率为1W，SOT23-5的最大额定功率为0.6W。请注意输入、输出电压以及负载电流的使用条件，避免IC内的功耗超过封装的容许功耗。
3、PCB布线
重点要考虑噪声、纹波和散热问题，尽可能将输出电容（CL）接在VOUT-VSS管脚的附近，将输入电容（CIN）接在VIN-VSS管脚的附近，LDO和电容要使用同一铜层铺地，尽量增加地面积。


图5：PCB布线设计