高速電路設(shè)計(jì)第四章

1、【案例4-1】LDO輸出電源電平低于設(shè)置值某單板利用Linear公司的LDO芯片LT1086-ADJ，從3.3V電源產(chǎn)生2.5V電源，測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出電源的電平只有2.3V?！居懻摗縇T1086-ADJ是一款輸出電流可達(dá)1.5A，輸出電壓可調(diào)的LDO電源芯片。本設(shè)計(jì)的相關(guān)電路圖如下：圖4.1 LT1086電路圖在LT1086內(nèi)部，ADJ和OUT管腳之間的電壓VREF設(shè)置為1.25V，通過(guò)連接在這兩個(gè)管腳之間的電阻R1形成電流，要求該電流略大于10mA，經(jīng)R1、R2后流入GND，從而構(gòu)成輸出電壓。同時(shí)ADJ管腳有50uA電流IADJ經(jīng)R2流入GND。為得到2.5V的輸出電壓，計(jì)算公式為：1.25V

2、 / R1 10mA（4.1）VOUT = 1.25V × （1+R2/R1）+ IADJ×R2（4.2）由于IADJ極小，式4.2的第二項(xiàng)可忽略，計(jì)算得到R1=R2=100ohm。設(shè)計(jì)者對(duì)電阻R1和R2的取值正確，同時(shí)，核對(duì)PCB設(shè)計(jì)圖，濾波電路設(shè)計(jì)也正確。再查看器件資料，該器件的Dropout（壓差）要求（指LDO電源芯片對(duì)VIN-VOUT最小值的要求）為1V，即該器件的輸出電壓VOUT至少應(yīng)比輸入電壓VIN小1V，在本設(shè)計(jì)中，VIN為3.3V，所以VOUT最大只能輸出2.3V?！就卣埂坑珊罄m(xù)章節(jié)對(duì)LDO的介紹可知，輸入輸出壓差Dropout的存在是LDO必然具有的特性

3、之一。在LDO選型時(shí)，該參數(shù)是重點(diǎn)考察的對(duì)象。在輸入輸出低壓差的應(yīng)用中，如本例中的3.3V轉(zhuǎn)2.5V，以及1.8V轉(zhuǎn)1.5V，1.5V轉(zhuǎn)1.2V等，應(yīng)選取支持低壓差的LDO器件，如Micrel公司的MIC2915X及MIC2930X系列的LDO器件，在最大負(fù)載時(shí)，這些器件的壓差僅350mV，Linear公司的LT1963A，在最大負(fù)載時(shí)，壓差也僅為550mV。在LDO選型中，輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等參數(shù)往往是設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，但在實(shí)際應(yīng)用中，LDO設(shè)計(jì)的成敗，往往取決于一些微小的細(xì)節(jié)，如散熱、壓差、紋波、濾波電容的選擇等，這些將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)討論。（2）漏源極間的導(dǎo)通電阻RDS(ON

4、) - MOSFET應(yīng)用的考慮因素之一DC/DC電源工作時(shí)，功率MOSFET的功耗主要消耗在漏源極之間的導(dǎo)通電阻RDS(ON)上，該參數(shù)可從MOSFET元件資料上獲得，一般為若干毫歐。在設(shè)計(jì)中，對(duì)RDS(ON)，有如下注意事項(xiàng)：其一，N個(gè)MOSFET并聯(lián)使用時(shí)，漏源極之間的等效導(dǎo)通電阻為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)的1/N，即MOSFET并聯(lián)使用有利于減小MOSFET上的功耗。其二，RDS(ON)具有正的溫度系數(shù)，不僅利于實(shí)現(xiàn)多個(gè)MOSFET并聯(lián)使用時(shí)的均流，且可有效的保護(hù)MOSFET。三極管的導(dǎo)通電阻擁有負(fù)的溫度系數(shù)，不利于器件內(nèi)部的均流，局部的溫升將造成局部的過(guò)熱，以致?lián)p壞器件；

5、MOSFET則可基于其正溫度系數(shù)的導(dǎo)通電阻，有效地抑制局部溫升，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的保護(hù)。一般而言，MOSFET尺寸越大，RDS(ON)越小。（3）導(dǎo)通時(shí)的柵源極間電壓VGS - MOSFET應(yīng)用的考慮因素之二對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOSFET而言，僅當(dāng)柵源極間電壓VGS達(dá)到一定電平后，MOSFET才能開始導(dǎo)通。在MOSFET元件資料上提供有導(dǎo)通時(shí)的閾值電壓VGS(th)，應(yīng)用時(shí)需注意，如果柵源極間電壓VGS只是等于或略大于VGS(th)，MOSFET并不能完全導(dǎo)通，即VGS(th)只是MOSFET開始導(dǎo)通的電壓值。以IRF公司的N溝道增強(qiáng)型MOSFET-IRF6727MPbF為例，該器件在完全導(dǎo)通時(shí)，支持最

6、大漏極電流ID達(dá)100A以上，閾值電壓VGS(th)最大值為2.35V，如果只按照2.35V的柵源極電壓設(shè)計(jì)，MOSFET卻無(wú)法正常工作，如圖4.17：圖4.17 IRF6727MPbF轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線45以TJ = 25的曲線為例，MOSFET在VGS=2.35V時(shí)開始導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)通電流（也稱漏極電流）ID極小。根據(jù)輸出特性曲線，在VGS達(dá)到3V以上后，才能支持10A的導(dǎo)通電流，根據(jù)轉(zhuǎn)移特性曲線，VGS=3V時(shí)MOSFET并沒(méi)有完全導(dǎo)通，即對(duì)3V的柵源極電壓，雖然允許10A的通流，但功耗較大，例如當(dāng)VGS=3V，ID=13A時(shí)，VDS為1V，則MOSFET功耗達(dá)到13W。因此在設(shè)計(jì)

7、中，應(yīng)盡量提供能使MOSFET完全導(dǎo)通的柵源極間電壓VGS，仍以IRF6727MPbF為例，4.5V以上的柵源極間電壓才能使其完全導(dǎo)通，完全導(dǎo)通后，可獲得較小的VDS，以利于減小功耗，例如當(dāng)VGS=4.5V，ID=15A時(shí)，VDS為0.1V，則MOSFET功耗僅為1.5W。根據(jù)圖4.17的轉(zhuǎn)移特性曲線還可知道，MOSFET的閾值電壓VGS(th)具有負(fù)的溫度系數(shù)，結(jié)溫每升高25，VGS(th)下降約5%55。（4）額定導(dǎo)通電流ID - MOSFET應(yīng)用的考慮因素之三MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)與額定導(dǎo)通電流ID成反比，因此在MOSFET選型時(shí)，除保證電源電路最大工作電流小于額定導(dǎo)通電流

8、外，選擇額定導(dǎo)通電流大一些的MOSFET器件，還有利于降低功耗。（5）響應(yīng)速度 - MOSFET應(yīng)用的考慮因素之四MOSFET屬于單極型器件，能在極短的時(shí)間內(nèi)被關(guān)斷。但其導(dǎo)通過(guò)程則涉及多子的移動(dòng)，因此MOSFET的導(dǎo)通速度與輸入電容密切相關(guān)。為導(dǎo)通MOSFET，首先需對(duì)其柵極電容充電，僅當(dāng)電平超過(guò)閾值參數(shù)VGS(th)后，MOSFET才能開始導(dǎo)通。因此柵極電容的容值，是決定MOSFET導(dǎo)通速度的關(guān)鍵因素。圖4.18 MOSFET極間電容柵極電容是MOSFET器件本身寄生的電容，包括Ciss和Crss，分別為柵源極之間的寄生電容和柵漏極之間的寄生電容，相應(yīng)的，MOSFET導(dǎo)通時(shí)，柵極電流Ig包括

9、流經(jīng)Ciss和Crss的電流Iiss、Irss。55（6）MOSFET柵極充電波形 - MOSFET應(yīng)用的考慮因素之五圖4.19 MOSFET柵極充電波形45MOSFET柵極充電波形是理解MOSFET導(dǎo)通過(guò)程的重要工具。A-B階段，柵極驅(qū)動(dòng)電路為Ciss充電，直到柵極電平達(dá)到閾值VGS(th)，在這個(gè)過(guò)程中，漏極電流ID保持為零，在B時(shí)刻，柵極電荷值為Qgs1；B-C階段，柵極驅(qū)動(dòng)電路繼續(xù)為Ciss充電，柵極電平繼續(xù)增大，由于B時(shí)刻MOSFET已開始導(dǎo)通，ID不斷增大，但在這個(gè)過(guò)程中，漏源間電壓VDS仍保持不變，在C時(shí)刻，Ciss充電完成，柵源極間電荷達(dá)到元件資料上指定的電荷值Qgs，同時(shí)，ID達(dá)到最大值；C-D階段，漏極電流ID和柵極電平VGS保持不變，而漏源間電壓VDS開始減小，柵極驅(qū)動(dòng)電路開始為Crss充電，在D時(shí)刻，VDS下降到最低電壓RDS(ON)×ID，Crss充電完成，柵漏極間電荷達(dá)到元件資料上指定的電荷值Qgd；D-E階段，ID和VDS不再發(fā)生變化，而柵極電平VGS繼續(xù)增大，直到達(dá)到柵極驅(qū)動(dòng)電路的電平值。（