LDO 电压调整器的基础知识
发布时间：2022.10.19
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第一讲 CMOS线性调整器的基础知识
CMOS 线性调整器的历史并不悠久，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。应用微细化技术， CMOS 线性调整器实现了小型、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。
●与双极线性调整器的区别
通常 CMOS 线性调整器与双极线性调整器相比消耗电流小。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）
（图 1 ）Current-Driven Device and Voltage-Driven Device
特别是像线性调整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。
双极线性调整器中有通用的 78 系列三端子调整器。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调整器代表性产品 78 系列的一部分主要特性。
表 1 The Major Characteristics of Multipurpose 78 series Regulators
双极线性调整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一， 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 线性调整器，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）的饱和度非常低的调整器。
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。
低消耗电流型调整器中有能把自身消耗电流抑制在大致 1 μA 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。
最近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。
照片 1 Examples of CMOS Regulator Packages
●特征和分类
因为电源用线性调整器把与蓄电池或 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 线性调整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)
(表 2) Product Categories by Operating Voltage (Three-terminal voltage regulators)
CMOS 线性调整器分为低消耗电流、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调整器的 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、双沟道或 3 沟道等复合调整器、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。
图 3 Block Diagram of 2-Channel Regulator (XC6415 Series)
●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调整器相比稍有逊色。
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。
图 4 Basic Circuitry Block Diagram of High-Speed Type Regulator
第二讲 CMOS线性调整器的重要特性
本次作为连载的第二讲将解释有关线性调整器的电气特性。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。这些都属于调整器系列的本质性特性。 针对 CMOS 线性调整器，与双极线性调整器相比并不存在任何可以忽视的项目。
●线性调整器的基本特性
表 3 表示 CMOS 调整器的一般性电气特性。
表 3 General Characteristics of CMOS Regulators by Types
●纹波抑制
CMOS 线性调整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调整器和重视瞬态响 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 线性调整器的基本特性，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 （输出电压变化／输入电压变化）
图 5 中介绍高速调整器 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， 介绍作为表示线性调整器基本性能之一的输入输出电压差。特别是 CMOS 线性调整器，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。
图 7The Relationship between Input Voltage and Output Voltage (XC6209B302: Output Current=30mA)
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 XC6209B302 的输入输 出电位差特性例。例如把输出电压设定为 3V 的调 整器，为了得到 150mA 的输出电流，必须有 300mV 的输入输出电位差，即需要 3.3V 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 高调整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，线性调整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 线性调整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。
图 9Load Transient Response of High-Speed LDO (XC6209B302)
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 110mV 相比，XC6221 的电压降为 60mV，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。
图 10 Ripple Rejection Rate: Actual Input Voltage and Output Voltage Waveform （IOUT=30mA）
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
图 11 Inverter Formed on P-Silicon Substrate
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 速调整器的性能，而且还会影响其他线性调整器的输出。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
70 μA 的超高速/低噪声 CMOS 调整器。 图 12 表示其噪声特性。
图 12 Output Noise Density (XC6204B302)
产品介绍 XC6601 系列
与DC/DC 转换器相组合来改善效率
XC6601 系列是由 XC9235/36/37 等系列中的降压 DC/DC 转换器组合而成， 改善了效率， 最适用于便携式 仪器的高速调整器。
例如，作为 LSI 的内核电源从 3.6V 的输入电压得到 1.2V 输出电压时，先用 DC/DC 转换器使其高效率地 降至 1.5V，然后把 1.5V 输出分路、如使用能工作在低输入输出电压差条件下低导通电阻的 XC6601 系列， 可以高效率地输出大电流，比用高速调整器直接进行 1.2V 减算提高35%的效率。
电路结构分为 VBIAS 端子（电源电压端子） 和 VIN 端子， 用 N 沟道 MOS 晶体管作为驱动晶体管， 实现了低 导通电阻工作状态。 （图）
既往的高速调整器使用了 P 沟道 MOS 晶体管， 具有 VIN 低时导通电阻增大的倾向。根据图表， 与本公司既 往的高速调整器 XC6210 系列相比较，能确认当 XC6601 系列的输出电压即使低到 1.2V 时，也大约能把低 电压范围的导通电阻降低 50% 。（图①） 表示能提供 VBIAS 电源的电路即可使用更低的导通电阻。
此外，负载瞬态响应良好，由触发模式等引起的负载变动时也能得到稳定的输出 （图②）。
XC6601 系列与 DC/DC 转换器 XC9235/36/37 系列并行使用， 能实现高效率工作， 最适用于便携式仪器产品。
第三讲 CMOS线性调整器的保护功能
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调整器最重要的启发点必须牢记。 作为电源 IC 的线性调整器，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 250mA 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 25mA 左右，例如当输入 电压为 4.0V 时的热损耗为 4V × 25mA 能抑制到 100mW 左右。
●CE/CL 放电
[图①] Operational circuits of XC6217
[图②] Supply current in of Green Operation.
[图③] Example of Load transient response using GO pin
[图①] Operational Circuit of XC6217
作为[LDO 电压调整器的基础知识]的最后一讲，介绍如何更加方便地使用线性调整器的有关技术。
●钻研封装工艺增加容许损耗
线性调整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 400mm2 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 线性调整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。
●少量购买时，哪些电压调整器容易选购？
因为几乎所有的输出电压都不能在外部调整，在采购时须确认库存状况。一般情况下容易得到的输出电压 有 5V，3.3V，3V，2.8V, 2.5V, 1.8V, 1.2V。
●今后的开发动向
CMOS 工艺 LSI 的微细化每年都在不断进步， 现在已开始批量生产被称为 90nm 规格的产品。使用在线性 调整器等电源 IC，其输入电源必须耐压。虽然极端微细的工艺不一定认为全部有益，利用 CMOS 所具有的 微细技术优势，可以实现使用 0.35 μm 或 0.5 μm 等的工艺，用 1.5V 输入电压能提供 1.2V 的输出电压和 1A 的电流。此外，耐压高等方面，也在不断推出使用 CMOS 的先端工艺的各种各样的新技术和优点。
CMOS 工艺利用于 LSI 或内存等开发方面，积蓄了大量的工艺技术。可以预测今后 CMOS 调整器将使用 于比移动仪器等方面更加广泛的领域。
CMOS 线性调整器的历史并不悠久，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。应用微细化技术， CMOS 线性调整器实现了小型、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。
●与双极线性调整器的区别
通常 CMOS 线性调整器与双极线性调整器相比消耗电流小。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）
（图 1 ）Current-Driven Device and Voltage-Driven Device
特别是像线性调整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。
双极线性调整器中有通用的 78 系列三端子调整器。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调整器代表性产品 78 系列的一部分主要特性。
表 1 The Major Characteristics of Multipurpose 78 series Regulators
| Product Series | Maximum Output Current | Rated Input Voltage | Operating Current | Dropout Voltage |
| 78xx | 1A | 35V, 40V | 4~8mA | 2V@1A |
| 78Mxx | 500mA | 35V, 40V | 6~7mA | 2V@350mA |
| 78Nxx | 300mA | 35V, 40V | 5~6mA | 1.7V@200mA 2V@300mA |
| 78Lxx | 100mA | 30V, 35V, 40V | 6~6.5mA | 1.7V@ 40mA |
双极线性调整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一， 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 线性调整器，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）的饱和度非常低的调整器。
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。
低消耗电流型调整器中有能把自身消耗电流抑制在大致 1 μA 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。
最近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。
照片 1 Examples of CMOS Regulator Packages
●特征和分类
因为电源用线性调整器把与蓄电池或 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 线性调整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)
(表 2) Product Categories by Operating Voltage (Three-terminal voltage regulators)
| Operating Voltage | Product Series | Package | ||||
| USP-3 | SOT-23 | SOT-89 | SOT223 | TO252 | ||
| 1.5V ~ 6V | XC6218 | ○ | ||||
| 1.8V ~ 6V | XC6206 | ○ | ○ | |||
| 2V ~ 10V | XC6201 | ○ | ||||
| 2V ~ 20V | XC6202 | ○ | ○ | ○ | ||
| 2V~28V | XC6216 | ○ | ○ | ○ | ||
CMOS 线性调整器分为低消耗电流、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调整器的 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、双沟道或 3 沟道等复合调整器、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。
图 3 Block Diagram of 2-Channel Regulator (XC6415 Series)
●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调整器相比稍有逊色。
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。
图 4 Basic Circuitry Block Diagram of High-Speed Type Regulator
第二讲 CMOS线性调整器的重要特性
本次作为连载的第二讲将解释有关线性调整器的电气特性。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。这些都属于调整器系列的本质性特性。 针对 CMOS 线性调整器，与双极线性调整器相比并不存在任何可以忽视的项目。
●线性调整器的基本特性
表 3 表示 CMOS 调整器的一般性电气特性。
表 3 General Characteristics of CMOS Regulators by Types
|
Type |
Low Supply Current |
High Voltage |
Large Current |
Super High Speed |
High speed |
Ultra High speed |
Unit |
| XC6201 | XC6216 | XC6220 | XC6204/05 | XC6221 | XC6222 | ||
| Output Voltage Range | 1.3~6 | 2.0~23 | 0.8~5 | 0.9~6 | 0.8~5 | 0.8~5 | V |
|
Output Voltage Accuracy |
±2 | ±2 | ±1 | ±2 | ±2 | ±1 | % |
|
Output Voltage Temp.Stability |
±100 | ±100 | ±100 | ±100 | ±100 | ±100 | ppm/℃ |
| Max Output Current | 200 | 150 | 1000 | 300 | 200 | 700 | mA |
| Dropout Voltage@100mA | 0.16 | 1.3 | 0.02 | 0.2 | 0.08 | 0.04 | V |
| Supply Current | 2 | 5 | 8(PS mode) | 70 | 25 | 100 | μA |
| Standby Current | - | 0.1 | 0.01 | 0.01 | 0.1 | 0.01 | μA |
| Line Regulation | 0.2 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | %/V |
| Input Voltage | 2~10 | 2~28 | 1.6~6 | 2~10 | 1.6~6 | 1.7~6 | V |
| Output Noise | - | 30 | μVrms | ||||
| PSRR@1 kHz | 30 | 30 | 50 | 70 | 70 | 65 | dB |
●纹波抑制
CMOS 线性调整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调整器和重视瞬态响 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 线性调整器的基本特性，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 （输出电压变化／输入电压变化）
图 5 中介绍高速调整器 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， 介绍作为表示线性调整器基本性能之一的输入输出电压差。特别是 CMOS 线性调整器，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。
图 7The Relationship between Input Voltage and Output Voltage (XC6209B302: Output Current=30mA)
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 XC6209B302 的输入输 出电位差特性例。例如把输出电压设定为 3V 的调 整器，为了得到 150mA 的输出电流，必须有 300mV 的输入输出电位差，即需要 3.3V 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 高调整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，线性调整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 线性调整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。
图 9Load Transient Response of High-Speed LDO (XC6209B302)
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 110mV 相比，XC6221 的电压降为 60mV，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。
图 10 Ripple Rejection Rate: Actual Input Voltage and Output Voltage Waveform （IOUT=30mA）
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
图 11 Inverter Formed on P-Silicon Substrate
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 速调整器的性能，而且还会影响其他线性调整器的输出。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
70 μA 的超高速/低噪声 CMOS 调整器。 图 12 表示其噪声特性。
图 12 Output Noise Density (XC6204B302)
产品介绍 XC6601 系列
与DC/DC 转换器相组合来改善效率
XC6601 系列是由 XC9235/36/37 等系列中的降压 DC/DC 转换器组合而成， 改善了效率， 最适用于便携式 仪器的高速调整器。
例如，作为 LSI 的内核电源从 3.6V 的输入电压得到 1.2V 输出电压时，先用 DC/DC 转换器使其高效率地 降至 1.5V，然后把 1.5V 输出分路、如使用能工作在低输入输出电压差条件下低导通电阻的 XC6601 系列， 可以高效率地输出大电流，比用高速调整器直接进行 1.2V 减算提高35%的效率。
电路结构分为 VBIAS 端子（电源电压端子） 和 VIN 端子， 用 N 沟道 MOS 晶体管作为驱动晶体管， 实现了低 导通电阻工作状态。 （图）
既往的高速调整器使用了 P 沟道 MOS 晶体管， 具有 VIN 低时导通电阻增大的倾向。根据图表， 与本公司既 往的高速调整器 XC6210 系列相比较，能确认当 XC6601 系列的输出电压即使低到 1.2V 时，也大约能把低 电压范围的导通电阻降低 50% 。（图①） 表示能提供 VBIAS 电源的电路即可使用更低的导通电阻。
此外，负载瞬态响应良好，由触发模式等引起的负载变动时也能得到稳定的输出 （图②）。
XC6601 系列与 DC/DC 转换器 XC9235/36/37 系列并行使用， 能实现高效率工作， 最适用于便携式仪器产品。
第三讲 CMOS线性调整器的保护功能
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调整器最重要的启发点必须牢记。 作为电源 IC 的线性调整器，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 250mA 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 25mA 左右，例如当输入 电压为 4.0V 时的热损耗为 4V × 25mA 能抑制到 100mW 左右。
●CE/CL 放电
最近的 CMOS 线性调整器附带了与调整器的接通/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。
●XC6217 系列的介绍 ~GO(Green Operation)
XC6217 系列是具备 GO（Green Operation）功能的 CMOS 线性调整器。 GO 功能是指与输出电流相对应 把 IC 内部的消耗电流在 HS（高速） 模式和 PS （节省功率） 模式之间自动转换的功能。 XC6217 系列的条件 下， 当输出电流大于 8mA 以上时， 消耗电流达到 25μA 成高速瞬态响应状态。当输出电流在 0.5mA 以下时， 消耗电流为 4.5μA，自动地转换为低消耗电流状态。对应输出电流自动地转换消耗电流能满足既能降低消耗 电流的浪费又能高效率和高速瞬态响应地工作。 如把 GO 端子固定在高电平可以固定在 HS（高速）模式工作。 一般认为 XC6217B/D 型附带输出电容高速放电的功能，对于手机等需要详细地管理功率的便携式电子仪器
等是极为方便的功能。●XC6217 系列的介绍 ~GO(Green Operation)
XC6217 系列是具备 GO（Green Operation）功能的 CMOS 线性调整器。 GO 功能是指与输出电流相对应 把 IC 内部的消耗电流在 HS（高速） 模式和 PS （节省功率） 模式之间自动转换的功能。 XC6217 系列的条件 下， 当输出电流大于 8mA 以上时， 消耗电流达到 25μA 成高速瞬态响应状态。当输出电流在 0.5mA 以下时， 消耗电流为 4.5μA，自动地转换为低消耗电流状态。对应输出电流自动地转换消耗电流能满足既能降低消耗 电流的浪费又能高效率和高速瞬态响应地工作。 如把 GO 端子固定在高电平可以固定在 HS（高速）模式工作。 一般认为 XC6217B/D 型附带输出电容高速放电的功能，对于手机等需要详细地管理功率的便携式电子仪器
[图①] Operational circuits of XC6217
[图②] Supply current in of Green Operation.
[图③] Example of Load transient response using GO pin
[图①] Operational Circuit of XC6217
作为[LDO 电压调整器的基础知识]的最后一讲，介绍如何更加方便地使用线性调整器的有关技术。
●钻研封装工艺增加容许损耗
线性调整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 400mm2 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 线性调整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。
●少量购买时，哪些电压调整器容易选购？
因为几乎所有的输出电压都不能在外部调整，在采购时须确认库存状况。一般情况下容易得到的输出电压 有 5V，3.3V，3V，2.8V, 2.5V, 1.8V, 1.2V。
●今后的开发动向
CMOS 工艺 LSI 的微细化每年都在不断进步， 现在已开始批量生产被称为 90nm 规格的产品。使用在线性 调整器等电源 IC，其输入电源必须耐压。虽然极端微细的工艺不一定认为全部有益，利用 CMOS 所具有的 微细技术优势，可以实现使用 0.35 μm 或 0.5 μm 等的工艺，用 1.5V 输入电压能提供 1.2V 的输出电压和 1A 的电流。此外，耐压高等方面，也在不断推出使用 CMOS 的先端工艺的各种各样的新技术和优点。
CMOS 工艺利用于 LSI 或内存等开发方面，积蓄了大量的工艺技术。可以预测今后 CMOS 调整器将使用 于比移动仪器等方面更加广泛的领域。
