高速电路设计第四章

1、【案例4-1】LDO输出电源电平低于设置值某单板利用Linear公司的LDO芯片LT1086-ADJ，从3.3V电源产生2.5V电源，测试时发现输出电源的电平只有2.3V。【讨论】LT1086-ADJ是一款输出电流可达1.5A，输出电压可调的LDO电源芯片。本设计的相关电路图如下：图4.1 LT1086电路图在LT1086内部，ADJ和OUT管脚之间的电压VREF设置为1.25V，通过连接在这两个管脚之间的电阻R1形成电流，要求该电流略大于10mA，经R1、R2后流入GND，从而构成输出电压。同时ADJ管脚有50uA电流IADJ经R2流入GND。为得到2.5V的输出电压，计算公式为：1.25V

2、 / R1 10mA（4.1）VOUT = 1.25V × （1+R2/R1）+ IADJ×R2（4.2）由于IADJ极小，式4.2的第二项可忽略，计算得到R1=R2=100ohm。设计者对电阻R1和R2的取值正确，同时，核对PCB设计图，滤波电路设计也正确。再查看器件资料，该器件的Dropout（压差）要求（指LDO电源芯片对VIN-VOUT最小值的要求）为1V，即该器件的输出电压VOUT至少应比输入电压VIN小1V，在本设计中，VIN为3.3V，所以VOUT最大只能输出2.3V。【拓展】由后续章节对LDO的介绍可知，输入输出压差Dropout的存在是LDO必然具有的特性

3、之一。在LDO选型时，该参数是重点考察的对象。在输入输出低压差的应用中，如本例中的3.3V转2.5V，以及1.8V转1.5V，1.5V转1.2V等，应选取支持低压差的LDO器件，如Micrel公司的MIC2915X及MIC2930X系列的LDO器件，在最大负载时，这些器件的压差仅350mV，Linear公司的LT1963A，在最大负载时，压差也仅为550mV。在LDO选型中，输入电压、输出电压、输出电流等参数往往是设计者重点关注的对象，但在实际应用中，LDO设计的成败，往往取决于一些微小的细节，如散热、压差、纹波、滤波电容的选择等，这些将在后续章节详细讨论。（2）漏源极间的导通电阻RDS(ON

4、) - MOSFET应用的考虑因素之一DC/DC电源工作时，功率MOSFET的功耗主要消耗在漏源极之间的导通电阻RDS(ON)上，该参数可从MOSFET元件资料上获得，一般为若干毫欧。在设计中，对RDS(ON)，有如下注意事项：其一，N个MOSFET并联使用时，漏源极之间的等效导通电阻为单个MOSFET导通电阻RDS(ON)的1/N，即MOSFET并联使用有利于减小MOSFET上的功耗。其二，RDS(ON)具有正的温度系数，不仅利于实现多个MOSFET并联使用时的均流，且可有效的保护MOSFET。三极管的导通电阻拥有负的温度系数，不利于器件内部的均流，局部的温升将造成局部的过热，以致损坏器件；

5、MOSFET则可基于其正温度系数的导通电阻，有效地抑制局部温升，实现对器件的保护。一般而言，MOSFET尺寸越大，RDS(ON)越小。（3）导通时的栅源极间电压VGS - MOSFET应用的考虑因素之二对N沟道增强型MOSFET而言，仅当栅源极间电压VGS达到一定电平后，MOSFET才能开始导通。在MOSFET元件资料上提供有导通时的阈值电压VGS(th)，应用时需注意，如果栅源极间电压VGS只是等于或略大于VGS(th)，MOSFET并不能完全导通，即VGS(th)只是MOSFET开始导通的电压值。以IRF公司的N沟道增强型MOSFET-IRF6727MPbF为例，该器件在完全导通时，支持最

6、大漏极电流ID达100A以上，阈值电压VGS(th)最大值为2.35V，如果只按照2.35V的栅源极电压设计，MOSFET却无法正常工作，如图4.17：图4.17 IRF6727MPbF转移特性曲线和输出特性曲线45以TJ = 25的曲线为例，MOSFET在VGS=2.35V时开始导通，此时导通电流（也称漏极电流）ID极小。根据输出特性曲线，在VGS达到3V以上后，才能支持10A的导通电流，根据转移特性曲线，VGS=3V时MOSFET并没有完全导通，即对3V的栅源极电压，虽然允许10A的通流，但功耗较大，例如当VGS=3V，ID=13A时，VDS为1V，则MOSFET功耗达到13W。因此在设计

7、中，应尽量提供能使MOSFET完全导通的栅源极间电压VGS，仍以IRF6727MPbF为例，4.5V以上的栅源极间电压才能使其完全导通，完全导通后，可获得较小的VDS，以利于减小功耗，例如当VGS=4.5V，ID=15A时，VDS为0.1V，则MOSFET功耗仅为1.5W。根据图4.17的转移特性曲线还可知道，MOSFET的阈值电压VGS(th)具有负的温度系数，结温每升高25，VGS(th)下降约5%55。（4）额定导通电流ID - MOSFET应用的考虑因素之三MOSFET的导通电阻RDS(ON)与额定导通电流ID成反比，因此在MOSFET选型时，除保证电源电路最大工作电流小于额定导通电流

8、外，选择额定导通电流大一些的MOSFET器件，还有利于降低功耗。（5）响应速度 - MOSFET应用的考虑因素之四MOSFET属于单极型器件，能在极短的时间内被关断。但其导通过程则涉及多子的移动，因此MOSFET的导通速度与输入电容密切相关。为导通MOSFET，首先需对其栅极电容充电，仅当电平超过阈值参数VGS(th)后，MOSFET才能开始导通。因此栅极电容的容值，是决定MOSFET导通速度的关键因素。图4.18 MOSFET极间电容栅极电容是MOSFET器件本身寄生的电容，包括Ciss和Crss，分别为栅源极之间的寄生电容和栅漏极之间的寄生电容，相应的，MOSFET导通时，栅极电流Ig包括

9、流经Ciss和Crss的电流Iiss、Irss。55（6）MOSFET栅极充电波形 - MOSFET应用的考虑因素之五图4.19 MOSFET栅极充电波形45MOSFET栅极充电波形是理解MOSFET导通过程的重要工具。A-B阶段，栅极驱动电路为Ciss充电，直到栅极电平达到阈值VGS(th)，在这个过程中，漏极电流ID保持为零，在B时刻，栅极电荷值为Qgs1；B-C阶段，栅极驱动电路继续为Ciss充电，栅极电平继续增大，由于B时刻MOSFET已开始导通，ID不断增大，但在这个过程中，漏源间电压VDS仍保持不变，在C时刻，Ciss充电完成，栅源极间电荷达到元件资料上指定的电荷值Qgs，同时，ID达到最大值；C-D阶段，漏极电流ID和栅极电平VGS保持不变，而漏源间电压VDS开始减小，栅极驱动电路开始为Crss充电，在D时刻，VDS下降到最低电压RDS(ON)×ID，Crss充电完成，栅漏极间电荷达到元件资料上指定的电荷值Qgd；D-E阶段，ID和VDS不再发生变化，而栅极电平VGS继续增大，直到达到栅极驱动电路的电平值。（