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LDO 為嵌入式電子裝置提供參考指南

Wide Input Voltage Range Micro Power 150mA LDO Diodes AP7381 image

作者:資深技術行銷與計畫經理 朱文龍

我們每個人偶爾都需要發洩一下,但通常我們知道何時該適可而止;我們可以自我管理自己的行為,因為我們是負責任的成年人。另一方面,談論到孩子的行為時,他們通常可以有一、兩次犯錯的機會,因為這也是學習過程的一部分,這也許是一些成年人討厭自己身為大人的原因。

儘管嵌入式電子裝置有許多充滿巧思的設計,我們並不能說它們真的「學會」了如何自我調節自己的行為。我們的電路就像自己的孩子,它們在做某些事情時可能真的很聰明,然而在其他方面則仍然需要一些幫助。

那些會考驗我們自我調節自我行為能力的,通常是我們無法控制的因素,對電子電路而言也是如此。意想不到的東西才會造成問題,當我們談論到電源時,這一點也許再明顯不過了。

對於敏感的類比和數位電子裝置而言,電源的擾動可能會引起主要問題。之後,積體電路是在抽象層運作,它以相對於電源供應器的電壓位準代表「真實世界」的參數。如果電源供應器的動作開始不正確,而我們又沒有任何辦法可以調節它的話,整個系統的完整性就會出現問題。

減輕電源擾動的影響

儘管一個五歲的孩子在玩具店裡崩潰可能讓人非常尷尬,但通常不會造成任何長期持續性的損害。然而,當一部電子裝置突然決定它不想再控制那台大機器時,恐怕就不能這麼說了。在一個連網世界中,即使看起來似乎無關緊要的事情 (例如遺失了幾位元組的資料),也有可能產生嚴重的後果。

那麼我們該怎樣保護自己的「孩子」不受未知事物所影響?這個問題讓父母和工程師在夜裡無法入眠。在宏觀層次,我們將可靠的電源供應視為理所當然,家庭和辦公室很少遭遇停電之苦,但如果真的發生了,我們有備援系統 (例如不斷電系統) 可以讓生活照常運行,至少短時間內是如此。

在微觀層次也是如此,只是其形式變成維持電容器和電池備用電源。但這些並不一定總是能保護敏感電路遭遇電源位準的突發、頻繁或持續的變化,這才是真正嚴重的問題。在這裡調節就必須介入了。

標準做法會在電源轉換階段實施調節,當中間匯流排和負載點等概念獲得接受後,在比較靠近使用點的地方實施調節,已經變得愈來愈常見和必要。即使如此,一些小型系統仍可倚賴繞行整個 PCB 電路板,將電源供應給許多裝置的單一調節電源線。當電晶體密度和 IC 容量增加時,會需要更多電力,通常是在活動爆發期 (很像五歲孩子需要更多關注,卻根本無暇顧及)。這些活動爆發期會對電源線產生嚴重的影響,造成壓降和瞬態,使得從同一條電源線供電的所有裝置操作全部中斷。

LDO 協助我們一同表現出色

真正的問題在於連接到電源匯流排的每一部裝置都有自己的需求,而且它們很少相互協調。例如,如果某個裝置知道自己即將進入一段活動高峰期,有 100 毫秒的時間需要增加 10% 的電力,它可以要求與電源相連的其他裝置進入低功率模式,或通知電源調節器增加可用的總功率。目前有一些研發朝這個方向在進行,然而對於大部分的零件而言,這種情況仍然是不可行的,因此開發人員改為求助於低壓差穩壓器 (或 LDO) 來提供解決方案。

LDO 針對可能遭遇擾動的電源線提供局部調節。LDO 通常只服務一個或少數幾個元件,將穩定的恆定電壓或電流提供給可變負載。負載的變化並不會造成電源電壓下降,因為 LDO 的輸入電壓和輸出電壓之間有足夠的空間,可以維持穩壓。LDO 通常是線性的,並完全整合於小型封裝內,這表示它們可以放在負載附近,並可大量使用,即使在小型 PCB 板上亦然。類似 AP7381 的裝置,其設計目的是為 USB 連接埠提供恆定電壓,例如當裝置開啟電源時,負載可能會接上及移除數次。在這種情況下,良好的電源電壓抑制比 (PSRR) 也是很重要的;AP7381 的 PSRR 為 60dB。由於像這樣的 LDO 在電池供電裝置中經常使用,它們本身也必須是低功率,AP7381 自豪的就是靜態電流只有 2.5µA。

嵌入式電子裝置可能像小孩子一樣早熟,也一樣善變。有了一隻堅定的手和堅強的父母引導,我們的子女可以漸漸成熟,並且成為社會中有用的一份子。如果工程師對嵌入式設計採用同樣的良好判斷,就可以讓他們的電路具備自我調節功能,一旦這些電路離家之後,可能會發現自己身處嚴酷的環境中,要忍受這些環境,就需要自我調節功能了。