在從電源(無論是交流線路還是電池)到電子負載的長電氣路徑中，通常需要低壓差 (LDO) 穩壓器來覆蓋“最后一英里”。在這里，嘈雜的開關穩壓器讓位，轉而使用安靜的 LDO 來為關鍵電子負載供電。LDO 一直在與其他電源管理電子設備一起不斷更新或發展。隨著時間的推移，LDO 不僅變得更加安靜，而且更加可靠、準確、容錯、強大和高效，并具有適應手頭應用的多種功能。

圖 1. 最先進的低壓差穩壓器：比一滴水還小。

微型無線 4G 基站等近期應用對本已很小的 LDO 提出了挑戰，要求其變得更小，同時提供更多功率。在本文中，我們將回顧 LDO 的主要特性，同時將現代 CMOS LDO 與舊的雙極主力進行比較。隨后，我們將回顧每個 LDO 參數如何幫助解決特定的應用問題。然后，我們將推出一個新的 LDO 系列，其特性可進一步實現小型化、增強容錯性并支持廣泛的現代應用。

LDO 已取得長足進步

表 1 比較了具有集成 PNP 傳輸晶體管(2.1 至 16V 輸入電壓)的開創性雙極 LDO 穩壓器與具有集成 PMOS 傳輸晶體管(1.7 至 5.5 -V 輸入)。從列出的所有特性中可以看出，CMOS LDO 的性能比舊的雙極型 LDO 高 1.5 到 8 倍!

表 1：雙極與 CMOS LDO 穩壓器比較。

以下 LDO 參數對于手頭的應用很重要：

低噪聲和高 PSRR。在有線和無線通信系統中，LDO 為敏感的模擬電路(PLL、VCO、RF)提供清潔電源。LDO 必須具有良好的電源抑制比 (PSRR) 才能將其負載與其源極隔離，這可能是由于開關穩壓器的噪聲所致。低頻譜噪聲 (V RMS /√Hz) 將最大限度地減少 RF 解調器中的線性退化以及 PLL 和 VCO 電路中的相位噪聲。

低功耗。 雖然功耗是 LDO 的致命弱點，但具有 100mV 壓差 (500mA x 200mΩ) 的 5V、500mA LDO 在與 5.1V 輸入 (50mW損失)，可與一些最好的開關穩壓器相媲美。如果使用得當，可以利用 LDO 的特性而不必遭受其缺點。

低靜態電流。在運行中，LDO 的靜態電流會消耗額外的功率。具有 5V 輸入的 4mA 靜態電流(如表 1中的雙極 LDO 所示)將耗散 20mW。這使監管機構失去了幾乎另一個完整百分點的效率。CMOS 穩壓器只有 365 μA 的靜態電流，可以將這種損耗降低十倍。這很重要，因為在便攜式應用中，低靜態電流與低壓差一樣重要。

輸出精度高。由于輸出電壓高于標稱值，即使在可接受的容差范圍內，也會產生額外的功耗。在 5 V 和 500 mA 的精度為 4% 時，您將看到功耗增加 4% x 5 V x 500 mA = 100 mW。這與前一種情況的傳輸晶體管的損失一樣昂貴!這對于耗電的便攜式應用來說是不夠的。

低泄漏。即使不運行，LDO 也需要高效運行。可穿戴設備的尺寸通常非常小，并且必須在運行和貨架上持續很長時間。在這兩種模式下最小化尺寸和功耗是至關重要的。在關機模式下上架時，該設備可能需要使用長達三年，這需要非常低的泄漏電流。

新要求：反向電流保護。反向電流保護是現有 LDO 中很少發現的一項新功能。在電池供電的設備中，負載通常通過具有 MOSFET 傳輸晶體管的高效 CMOS LDO 進行調節，該晶體管在輸入和輸出之間承載反向偏置的本征二極管。

反向電流保護可防止在 LDO 輸入端的降壓穩壓器關閉時出現較大的反向電流，從而將輸入短路至 GND。大 LDO 輸出電容的放電能量通過 LDO 傳輸晶體管的本征二極管造成損壞。允許低反向電流。超過設定閾值 (200 mA)，反向電流被完全阻斷。

新要求：小型化。如表 1所示，LDO 封裝小型化方面進展甚微。這部分是由于可靠性問題。在汽車引擎蓋下應用等惡劣環境中，TDFN-8 等引線框架 IC 封裝是首選，因為隨著時間的推移，它們已證明其高可靠性。引線框架技術本質上是空間效率低下的。

另一方面，在消費者和無線通信應用中，尺寸是一個主要問題。幸運的是，這些環境相對溫和且沒有壓力，為創新提供了機會。

我們能否保留 LDO 電氣參數取得的所有進步，并添加額外的功能，例如具有反向電流保護的容錯和無線應用的小型化?一個新的 LDO 系列積極地應對了這一挑戰。

最先進的解決方案CMOS LDO的出色參數如表 1所示， 適用于MAX38902A / MAX38902B / MAX38902C / MAX38902D系列 LDO 穩壓器。更進一步，這個新系列通過提供晶圓級封裝技術選項解決了小型化問題，從而最大限度地減少了 PCB 空間的使用。此外，它還通過 LDO 電源系統的新穎實現解決了反向電流保護問題。讓我們更詳細地回顧一下這些創新：

晶圓級封裝。微型 4G 基站小到可以放在背包里，而且功能仍然非常強大。在這里，為 RF 部分供電的 LDO 必須小巧而強大，可提供數百毫安的電流。這個較新的 LDO 系列的 C 和 D 版本采用晶圓級封裝 (WLP) 技術來提高小型化程度。圖 2 說明了采用 WLP-6 封裝的 500-mA LDO 穩壓器如何占據 TDFN-8 封裝空間的大約四分之一(以及圖 4的 SOT23-5 的十六分之一)。WLP-6 解決方案非常適合需要最小 PCB 空間的應用。

圖 2：MAX38902C/D WLP-6 封裝優勢。

反向電流保護。傳輸元件(圖 3中的 T1 )是一個低 R DSON p 溝道 MOSFET 晶體管。內部電路檢測 MOSFET 漏源電壓，除了驅動柵極外，還保持體二極管反向偏置。這一額外步驟允許器件在其極性反轉時表現得像一個真正的開路開關(LDO OUT 比 LDO IN 高 10 mV)。在適當的驅動 (CONTROL) 下，正的漏源電壓使 MOSFET “導通”，電流在正常模式下流動，而體二極管再次反向偏置。

這一創新功能可保護負載和 LDO 免受意外輸入短路的影響，從而使系統具有更高的容錯能力。

圖 3：MAX38902A/B/C/D 反向電壓保護。

高可靠性應用。工業和汽車應用的特點是工作溫度范圍寬。在此，可能首選更能承受溫度引起的 PCB 表面機械應力的引線框架封裝。在這種情況下，現代 TDFN 封裝(A 和 B 版本)提供的解決方案大約是更傳統的 SOT23-5 或類似封裝的一半占位面積和三分之二的高度(圖 4)。

圖 4：MAX38902A/B TDFN-8 封裝優勢。

低噪音性能。 圖 5 顯示了該系列器件的頻譜噪聲密度。它的品質因數低至 30 nV/√Hz)，是許多低噪聲應用的絕佳選擇。

圖 5：MAX38902A/B 噪聲性能。

高 PSRR 性能。 圖 6 顯示了從 100 Hz 到 10 MHz 的 PSRR 曲線。該系列的品質因數高達 62 dB，是模擬或數字噪聲敏感應用的絕佳選擇。

圖 6：MAX38902A/B PSRR。

結論

LDO 自最初推出以來，通過適應不斷發展的應用程序的需求，已經取得了長足的進步。我們回顧了經典的 LDO 參數并討論了從雙極到 CMOS 實現的改進。接下來，我們討論了反向電流保護的挑戰以及許多現代便攜式應用所需的小型化。新的 LDO 系列 (MAX38902A/B/C/D) 通過新的電源系統架構解決了前一個問題，并通過采用晶圓級封裝選項解決了后一個問題。對于工業和汽車應用等具有挑戰性的應用環境，也可以使用傳統的引線框架封裝技術。

基本 LDO 的多個版本的可用性支持不同的應用程序。這為系統設計人員提供了幾個“首選”LDO，可以利用它們來節省大量成本和開發時間。

審核編輯：湯梓紅