零件知識專欄 — 線性式直流電源轉換 Part I

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整合零件《 1 + 1 = 王 》

在線性直流電源轉換 (Linear Regulator) 是非常典型的案例。「線性直流電源IC、電容」是主要影響整個電路品質的零件，也是電子零件中最簡單的IC及被動零件。但就是因為簡單，反而忽視技術支援，常見的兩種Bug如下：

1. 「線性直流電源轉換架構」與「電路應用」不匹配 (Part 1分享)
2. 「線性直流電源轉換」與「輸出積層陶瓷電容」潛在振盪問題 (Part 2分享)

此專欄的內容包含

1. 切換 (Switching)降壓式直流電源轉換 (Buck) 及 線性直流電源轉換(Linear Regulator)的比較
2. 線性直流電源轉換結構，與五大架構說明
3. 線性直流電源轉換參數說明 (只列舉Drop-Out Voltage)
4. 線性直流電源轉換「穩定 (Stable)」設計

Switching及Linear Regulator比較

(參考Intersil Presentation File)
Linear：水龍頭固定打開，依據〔輸出 / 輸入〕電壓比，調整開關比例。
Switching：水龍頭依據〔輸出/輸入〕電壓比，調整上下開關時間，此處稱為Duty。

Linear vs Switching水閘控制示意圖 (節錄於NS presentation File)

Linear vs Switching 比較表

電源轉換架構的步驟如下

• Step 1) 負載消耗預估 (Power Estimation)
• Step 2) 電源轉換樹狀圖 (Power Tree)
• Step 3) 選定電源轉換IC

如下圖，DC2.5V → DC2V / 1.3A，Linea轉換效率約80%，且消耗功率約1.04W，只要效率及熱在接受範圍，則可選擇Linear，其在成本、電氣品質優於Switching。

Power Tree

線性直流電源轉換結構

• Input Capacitor：扮演Bulk & Decoupling電容角色。
• Pass Transistor & Drive：依據輸出與輸入電壓比調整導通比例，加入輸入與輸出電壓的相對關係， 可判斷屬於Linear Reg哪種架構。五大架構包含「Standard NPN Regulator、PNP LDO（Low-DropOut）、Quasi-LDO、NMOS LDO、PMOS LDO」。
• Band Gap Reference：參考電壓，此也會影響整體輸出的精準度。
• Divide Resistor：依據參考電壓及IC公式設定輸入及輸出電壓比。
• Error Amplifier：提供負迴授控制輸出電壓穩定。
• Output Capacitor：提供後面IC抽載。

線性直流電源轉換結構

線性直流電源轉換五大架構及Drop-Out Voltage

Standard NPN Regulator (NPN Darlington達靈頓)

1. 較高的Low Drop-Out，LM78XX應用：Standard NPN只能稱為Linear Regulator，還不可以稱為LDO。
2. 較高的電流增益→較低的靜態電流Quiescence Current (優點)
3. 先天穩定 (優點)

PNP Low Drop-Out (LDO) Regulator

1. 較低的Low Drop-Out，此處開始可以稱LDO
2. 較低的電流增益→較高的靜態電流(Quiescence Current) (缺點)
3. 先天不穩定，需要外部補償。(缺點)
4. 此為過度架構，市場較少 PNP LDO

Quasi (半) –LDO
架構特性介於NPN Darlington and PNP LDO 中間

1. PNP LDO 電流增益＜Quasi LDO電流增益＜NPN Darlington電流增益
2. PNP Drop Out ＜Quasi Drop Out＜NPN Darlington Drop Out
3. PNP LDO 先天不穩定 ＜Quasi LDO條件式穩定＜NPN Darlington先天穩定

N-Channel MOS LDO

1. 極低的靜態電流(Quiescence Current) ) (優點)
2. 需要NMOS啟動機制

A.)內部Charge Pump
B.)外部控制輸入 ＞ 輸入電壓

3. 先天不穩定，需要外部補償。

 內部charge  Pump                                                               外部控制電壓

P-Channel MOS LDO

1. 極低的靜態電流(Quiescence Current) ) (優點)
2. 不需要PMOS啟動機制
3. 先天不穩定，需要外部補償。(缺點)

線性直流電源轉換參數：
Drop-Out Voltage：
最小的輸入與輸出電壓差，以維持輸出電壓在100mV以內的變化。

Quiescent & Supply Current：
Quiescent & Supply Current：
Quiescent Current vs. Carrot：
%Efficiency：
Power Supply Rejection Ratio (PSRR)：
Output noise, △V_OUT,RMS：
Output noise Tradeoffs：
Line regulation：
Load regulation and Transient：
Accuracy：
Fixed or adjustable V_OUT：
Protection：
Power Dissipation vs. Package：

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