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LDO 为嵌入式电子装置提供参考指南

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

作者:资深技术营销与计划经理朱文龙

我们每个人偶尔都需要发泄一下,但通常我们知道何时该适可而止;我们可以自我管理自己的行为,因为我们是负责任的成年人。另一方面,谈论到孩子的行为时,他们通常可以有一、两次犯错的机会,因为这也是学习过程的一部分,这也许是一些成年人讨厌自己身为大人的原因。

尽管嵌入式电子装置有许多充满巧思的设计,我们并不能说它们真的「学会」了如何自我调节自己的行为。我们的电路就像自己的孩子,它们在做某些事情时可能真的很聪明,然而在其他方面则仍然需要一些帮助。

那些会考验我们自我调节自我行为能力的,通常是我们无法控制的因素,对电子电路而言也是如此。意想不到的东西才会造成问题,当我们谈论到电源时,这一点也许再明显不过了。

对于敏感的模拟和数字电子装置而言,电源的扰动可能会引起主要问题。之后,集成电路是在抽象层运作,它以相对于电源供应器的电压位准代表「真实世界」的参数。如果电源供应器的动作开始不正确,而我们又没有任何办法可以调节它的话,整个系统的完整性就会出现问题。

减轻电源扰动的影响

尽管一个五岁的孩子在玩具店里崩溃可能让人非常尴尬,但通常不会造成任何长期持续性的损害。然而,当一部电子装置突然决定它不想再控制那台大机器时,恐怕就不能这么说了。在一个连网世界中,即使看起来似乎无关紧要的事情 (例如遗失了几字节的数据),也有可能产生严重的后果。

那么我们该怎样保护自己的「孩子」不受未知事物所影响?这个问题让父母和工程师在夜里无法入眠。在宏观层次,我们将可靠的电源供应视为理所当然,家庭和办公室很少遭遇停电之苦,但如果真的发生了,我们有备援系统 (例如不断电系统) 可以让生活照常运行,至少短时间内是如此。

在微观层次也是如此,只是其形式变成维持电容器和电池备用电源。但这些并不一定总是能保护敏感电路遭遇电源位准的突发、频繁或持续的变化,这才是真正严重的问题。在这里调节就必须介入了。

标准做法会在电源转换阶段实施调节,当中间总线和负载点等概念获得接受后,在比较靠近使用点的地方实施调节,已经变得愈来愈常见和必要。即使如此,一些小型系统仍可倚赖绕行整个 PCB 电路板,将电源供应给许多装置的单一调节电源线。当晶体管密度和 IC 容量增加时,会需要更多电力,通常是在活动爆发期 (很像五岁孩子需要更多关注,却根本无暇顾及)。这些活动爆发期会对电源线产生严重的影响,造成压降和瞬态,使得从同一条电源线供电的所有装置操作全部中断。

LDO 协助我们一同表现出色

真正的问题在于连接到电源总线的每一部装置都有自己的需求,而且它们很少相互协调。例如,如果某个装置知道自己即将进入一段活动高峰期,有 100 毫秒的时间需要增加 10% 的电力,它可以要求与电源相连的其他装置进入低功率模式,或通知电源调节器增加可用的总功率。目前有一些研发朝这个方向在进行,然而对于大部分的零件而言,这种情况仍然是不可行的,因此开发人员改为求助于低压差稳压器 (或 LDO) 来提供解决方案。

LDO 针对可能遭遇扰动的电源线提供局部调节。LDO 通常只服务一个或少数几个组件,将稳定的恒定电压或电流提供给可变负载。负载的变化并不会造成电源电压下降,因为 LDO 的输入电压和输出电压之间有足够的空间,可以维持稳压。LDO 通常是线性的,并完全整合于小型封装内,这表示它们可以放在负载附近,并可大量使用,即使在小型 PCB 板上亦然。类似 AP7381 的装置,其设计目的是为 USB 端口提供恒定电压,例如当装置开启电源时,负载可能会接上及移除数次。在这种情况下,良好的电源电压抑制比 (PSRR) 也是很重要的;AP7381 的 PSRR 为 60dB。由于像这样的 LDO 在电池供电装置中经常使用,它们本身也必须是低功率,AP7381 自豪的就是静态电流只有 2.5µA。

嵌入式电子装置可能像小孩子一样早熟,也一样善变。有了一只坚定的手和坚强的父母引导,我们的子女可以渐渐成熟,并且成为社会中有用的一份子。如果工程师对嵌入式设计采用同样的良好判断,就可以让他们的电路具备自我调节功能,一旦这些电路离家之后,可能会发现自己身处严酷的环境中,要忍受这些环境,就需要自我调节功能了。