便攜式超聲探傷儀器的功能分析與設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2007/8/24 0:00:00 訪問次數(shù):346
在選擇低壓降線性調(diào)節(jié)器(LDO) 時(shí),需要考慮的基本問題包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負(fù)載電流范圍及其封裝的功耗能力。但是,便攜式應(yīng)用通常還需要考慮更多問題,比如接地電流或靜態(tài)電流 (IGND 或 IQ)、電源波紋抑制比 (PSRR)、噪聲與封裝大小等通常也是為便攜式應(yīng)用決定最佳 LDO 選擇的考慮要素。
輸入、輸出以及降低電壓
首先要選擇輸入電壓范圍可以適應(yīng)電源的LDO。表1列出了便攜式設(shè)備所采用的流行電池的電壓范圍。
在確定 LDO 是否能夠提供預(yù)期輸出電壓時(shí),需要考慮其壓降。輸入電壓必須大于預(yù)期輸出電壓與特定壓降之和,即 VIN >VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的電壓以下,則我們說 LDO 出現(xiàn)“壓降”,輸出等于輸入減去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以負(fù)載電流。
需要注意壓降時(shí)的性能變化。驅(qū)動(dòng)旁路晶體管的誤差放大器完全打開或者出于“待發(fā)狀態(tài)”(cocked),因此不產(chǎn)生任何環(huán)路增益。這意味著線路與負(fù)載調(diào)節(jié)性能很差。另外,PSRR 在壓降時(shí)也會(huì)顯著降低。
選用可提供預(yù)期輸出電壓的 LOD 作為節(jié)省外部電阻分壓器成本與空間的固定選項(xiàng),外部電阻分壓器一般用于設(shè)置可調(diào)器件的輸出電壓。利用可調(diào) LDO 可以設(shè)置輸出,以提供內(nèi)部參考電壓,其一般為 1.2V 左右,只需把輸出連接到反饋引腳。請(qǐng)與廠商確認(rèn)是否具備該功能。
負(fù)載電流要求
考慮負(fù)載需要的電流量并據(jù)此選擇 LDO。請(qǐng)注意,比如額定電流為150mA 的 LDO 可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提供高出很多的電流。請(qǐng)查驗(yàn)最低輸出電流限值規(guī)范,或者咨詢有關(guān)廠商。
封裝與功耗
便攜式應(yīng)用本身存在空間限制,因此解決方案的大小至關(guān)重要。裸片可以最小化尺寸,但是缺乏封裝的諸多優(yōu)勢(shì),如保護(hù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及能夠被現(xiàn)有裝配架構(gòu)輕松采用等特性。芯片級(jí)封裝 (CSP) 能在提供裸片的尺寸優(yōu)勢(shì)的同時(shí)還可以帶來封裝的許多優(yōu)勢(shì)。
在無線手持終端市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,CSP產(chǎn)品正不斷推陳出新。例如,采用0.84mm×1.348mm CSP的德州儀器 200mA RF LDO于2003年9月份上市,其采用可輕松裝配的高板級(jí)可靠性的技術(shù)。其他小型封裝包括流行的3mm×3mm SOT-23、小型2.13mm×2.3mm SC-70,以及亞1毫米高度封裝 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及無引線四方扁平封裝 (QFN)。由于在下側(cè)采用了能夠在器件與PC板之間建立高效散熱接觸的散熱墊,QFN 因而可提供更好的散熱特性。
請(qǐng)注意不要超過封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 進(jìn)行計(jì)算。一般來說,封裝尺寸越小,功耗越小。但是QFN封裝可以提供極佳的散熱性能,這種性能完全可與尺寸是其1.5~2倍的眾多封裝相媲美。
LDO拓?fù)渑c靜態(tài)電流IQ
為了使電池的運(yùn)行時(shí)間最大化,需要選擇相對(duì)于負(fù)載電流來說靜態(tài)電流IQ較低的LDO。例如,考慮到IQ只增加0.02%的微不足道的電池消耗,在100mA負(fù)載情況下,一般采用200μA的IQ比較合理。
另外,還需要注意的是,由于電池的放電特性,某些情況下壓降會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生決定性影響。由于堿性電池放電速度較慢,其電源電壓在壓降情況下可以提供比NiMH電池更多的容量。必須在IQ和壓降之間仔細(xì)權(quán)衡,以便在電池壽命期間獲得最大的容量,因此,較低的IQ并不能始終保證長電池壽命。
需要注意IQ在雙極拓?fù)渲械谋憩F(xiàn)。IQ不但隨負(fù)載電流變化很大,而且在壓降情況下會(huì)有所增加。
另外,需要注意在數(shù)據(jù)表中對(duì)IQ是如何規(guī)定的。某些器件是在室溫條件下規(guī)定的,或者只提供顯示IQ與溫度關(guān)系的典型曲線。盡管這些情況有用,但是并不能保證最大的靜態(tài)電流。如果IQ比較重要,則需要選擇在所有負(fù)載、溫度和工藝變量情況下都能保證IQ的器件,并且需要選擇MOS類旁路元件。
輸出電容器
典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對(duì)電容器穩(wěn)定性方面沒有要求的LDO,可以降低尺寸與成本,另外還可以完全消除這些元件。請(qǐng)注意,利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。
陶瓷電容器通常是首選,因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路,相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。請(qǐng)注意,輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 會(huì)影響其穩(wěn)定性,陶瓷電容器具有較低的ESR,大概為10 mΩ量級(jí),而鉭電容器ESR在100 mΩ量級(jí)。另外,許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大,會(huì)對(duì)LDO性能產(chǎn)生不利影響。如果溫度變化不大,而且電容器和接地之間串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ㄒ话?00mΩ),可以取代陶瓷電容器而使用鉭電容器。需要咨詢LDO廠商以確保正確的實(shí)施。
RF與音頻應(yīng)用
最后,考慮便攜式應(yīng)用中所采用的專用電路的功率要求。RF電路包
在選擇低壓降線性調(diào)節(jié)器(LDO) 時(shí),需要考慮的基本問題包括輸入電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負(fù)載電流范圍及其封裝的功耗能力。但是,便攜式應(yīng)用通常還需要考慮更多問題,比如接地電流或靜態(tài)電流 (IGND 或 IQ)、電源波紋抑制比 (PSRR)、噪聲與封裝大小等通常也是為便攜式應(yīng)用決定最佳 LDO 選擇的考慮要素。
輸入、輸出以及降低電壓
首先要選擇輸入電壓范圍可以適應(yīng)電源的LDO。表1列出了便攜式設(shè)備所采用的流行電池的電壓范圍。
在確定 LDO 是否能夠提供預(yù)期輸出電壓時(shí),需要考慮其壓降。輸入電壓必須大于預(yù)期輸出電壓與特定壓降之和,即 VIN >VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的電壓以下,則我們說 LDO 出現(xiàn)“壓降”,輸出等于輸入減去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以負(fù)載電流。
需要注意壓降時(shí)的性能變化。驅(qū)動(dòng)旁路晶體管的誤差放大器完全打開或者出于“待發(fā)狀態(tài)”(cocked),因此不產(chǎn)生任何環(huán)路增益。這意味著線路與負(fù)載調(diào)節(jié)性能很差。另外,PSRR 在壓降時(shí)也會(huì)顯著降低。
選用可提供預(yù)期輸出電壓的 LOD 作為節(jié)省外部電阻分壓器成本與空間的固定選項(xiàng),外部電阻分壓器一般用于設(shè)置可調(diào)器件的輸出電壓。利用可調(diào) LDO 可以設(shè)置輸出,以提供內(nèi)部參考電壓,其一般為 1.2V 左右,只需把輸出連接到反饋引腳。請(qǐng)與廠商確認(rèn)是否具備該功能。
負(fù)載電流要求
考慮負(fù)載需要的電流量并據(jù)此選擇 LDO。請(qǐng)注意,比如額定電流為150mA 的 LDO 可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提供高出很多的電流。請(qǐng)查驗(yàn)最低輸出電流限值規(guī)范,或者咨詢有關(guān)廠商。
封裝與功耗
便攜式應(yīng)用本身存在空間限制,因此解決方案的大小至關(guān)重要。裸片可以最小化尺寸,但是缺乏封裝的諸多優(yōu)勢(shì),如保護(hù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及能夠被現(xiàn)有裝配架構(gòu)輕松采用等特性。芯片級(jí)封裝 (CSP) 能在提供裸片的尺寸優(yōu)勢(shì)的同時(shí)還可以帶來封裝的許多優(yōu)勢(shì)。
在無線手持終端市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,CSP產(chǎn)品正不斷推陳出新。例如,采用0.84mm×1.348mm CSP的德州儀器 200mA RF LDO于2003年9月份上市,其采用可輕松裝配的高板級(jí)可靠性的技術(shù)。其他小型封裝包括流行的3mm×3mm SOT-23、小型2.13mm×2.3mm SC-70,以及亞1毫米高度封裝 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及無引線四方扁平封裝 (QFN)。由于在下側(cè)采用了能夠在器件與PC板之間建立高效散熱接觸的散熱墊,QFN 因而可提供更好的散熱特性。
請(qǐng)注意不要超過封裝的最大功耗額定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 進(jìn)行計(jì)算。一般來說,封裝尺寸越小,功耗越小。但是QFN封裝可以提供極佳的散熱性能,這種性能完全可與尺寸是其1.5~2倍的眾多封裝相媲美。
LDO拓?fù)渑c靜態(tài)電流IQ
為了使電池的運(yùn)行時(shí)間最大化,需要選擇相對(duì)于負(fù)載電流來說靜態(tài)電流IQ較低的LDO。例如,考慮到IQ只增加0.02%的微不足道的電池消耗,在100mA負(fù)載情況下,一般采用200μA的IQ比較合理。
另外,還需要注意的是,由于電池的放電特性,某些情況下壓降會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生決定性影響。由于堿性電池放電速度較慢,其電源電壓在壓降情況下可以提供比NiMH電池更多的容量。必須在IQ和壓降之間仔細(xì)權(quán)衡,以便在電池壽命期間獲得最大的容量,因此,較低的IQ并不能始終保證長電池壽命。
需要注意IQ在雙極拓?fù)渲械谋憩F(xiàn)。IQ不但隨負(fù)載電流變化很大,而且在壓降情況下會(huì)有所增加。
另外,需要注意在數(shù)據(jù)表中對(duì)IQ是如何規(guī)定的。某些器件是在室溫條件下規(guī)定的,或者只提供顯示IQ與溫度關(guān)系的典型曲線。盡管這些情況有用,但是并不能保證最大的靜態(tài)電流。如果IQ比較重要,則需要選擇在所有負(fù)載、溫度和工藝變量情況下都能保證IQ的器件,并且需要選擇MOS類旁路元件。
輸出電容器
典型LDO應(yīng)用需要增加外部輸入和輸出電容器。選擇對(duì)電容器穩(wěn)定性方面沒有要求的LDO,可以降低尺寸與成本,另外還可以完全消除這些元件。請(qǐng)注意,利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高PSRR、噪聲以及瞬態(tài)性能。
陶瓷電容器通常是首選,因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路,相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。請(qǐng)注意,輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 會(huì)影響其穩(wěn)定性,陶瓷電容器具有較低的ESR,大概為10 mΩ量級(jí),而鉭電容器ESR在100 mΩ量級(jí)。另外,許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大,會(huì)對(duì)LDO性能產(chǎn)生不利影響。如果溫度變化不大,而且電容器和接地之間串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ㄒ话?00mΩ),可以取代陶瓷電容器而使用鉭電容器。需要咨詢LDO廠商以確保正確的實(shí)施。
RF與音頻應(yīng)用
最后,考慮便攜式應(yīng)用中所采用的專用電路的功率要求。RF電路包
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