在现今的电子产品当中，至少都安装了一颗以上的数字IC，像是在手机、超音波仪器、服务器以及工业控制系统等产品中，都具有可进行数据处理的数字IC。著名的摩尔定律昭示了μP、DSP、FPGA和ASIC等数字IC的发展趋势：IC上的晶体管数量每两年增加一倍。在过去的几十年内，晶体管的制程范围从1000nm（20世纪80年代末）缩小到600nm、130nm、90nm直到65nm，目前正在向45nm迈进，促使半导体制造商在同样的面积内能整合入更多的晶体管。虽然放入更多的晶体管意味着在相同的空间中将可得到更多的功能或更好的效能，但凡事均为一体两面，有好处也有坏处，在设计时必须有所取舍。

数字IC的供电问题

随着芯片尺寸缩小，在一片芯片上整合更多的晶体管及更高的处理速度，都将带来更大的功耗。为了克服功耗增加所带来的问题，数字IC的核心电压不断降低。处理器的功耗可由(公式一)得到结果：

PCONSUMED = cV2f + VILEAK

其中c是电容，V是核心电源电压，f是频率，ILEAK是漏电流。第一项cV2f 代表动态功耗，第二项VILEAK代表静态功耗。由公式一可以看出，随着处理器频率的提高，降低核心电压能补偿或降低处理器功耗。

目前，降低功耗需要在系统中提供另一个电源电压。几年前，所采用的是标准的5V和3.3V电源电压，由于核心电压的降低，需要越来越多的电压，现在常见的电压种类有2.5V、1.8V、1.5V、1.2V和1V，而增加这么多的电压使得电源的启动和关闭变得越来越重要。一些数字IC在数据表中要求或建议电源必须在规定的时间内达到某一特定值，并且必须是单调上升和／或追踪I/O。如果不能满足这些要求，不当的电源启动和关闭将会导致出现闭锁（latchup）和可靠性问题。

数字IC的另一个特点是其不断变化的负载电流要求。相较于处理低阶任务或处于待机/休眠模式，数字IC在处理大量数据时需要消耗更多的能量。为这些处理器设计电源时，负载瞬时响应是一个重要的规格。「负载瞬时响应」（Load transient response）是指电源的输出电压如何对负载电流的突然变化做出回应。数据表中通常会将输出电压瞬时行为显示为典型波形，过电压和欠电压的幅度则是越小越好。

《图一 带有偏压的LP38853-ADJ低输入LDO的内部电路图》

高效开关稳压器或低噪线性稳压器（Low Noise Linear Regulator）？

前文中确认了数字IC和处理器对于电源的一些共同要求（更低的输出电压、正确的启动、良好的动态响应），接下来则需要选择该采用开关稳压器或线性稳压器。如果效率是最优先的考虑时，应采用开关稳压器，最高可以具备超过90％的效率，需视选择的组件和工作条件而定。

当低噪或上市时间是最优先的考虑时，应采用线性稳压器。由于不是以开关结构为基础，因此线性稳压器是「更干净」的电源。此外，线性稳压器比开关稳压器更容易使用，因为不需要电感，所以需要较少的外部组件，而且不需要复杂的计算来确定适当的滤波器组件值。低压降线性稳压器（LDO）则是一种比标准线性稳压器拥有更低压降的线性稳压器。

为什么要在数字IC中使用低输入LDO？

低输入LDO是为数字IC供电的优良解决方案，它们能提供相当低的输出电压、适当的启动以及良好的负载瞬时响应。低输入LDO能提供低输出电压，并提高系统的效率。线性稳压器的效率可以采用下面的公式计算：

ηLINEAR_REG = VOUT/VIN

公式二中，VOUT是线性稳压器的输出电压，VIN是线性稳压器的输入电压。较低的数字IC核心电压决定了输出电压（VOUT）。例如，将3.3V输入转换为1V输出的标准线性稳压器的效率是30％（1V/3.3V）。

由上述的公式可知，降低输入电压能提高效率。能提供一个偏压电源的低输入LDO，可以透过采用一个较低的VIN进行能量转换，并采用另一个独立的电源为内部电路供电的方法来提高效率。(图一)显示了一款低输入、低输出、低压降的线性稳压器LP38853的内部电路图。IN针脚电压套用到内部N信道传输FET以进行转换，而BIAS针脚为内部电路供电。例如，1.5V输入、3.3V偏压和1V输出的效率为67％（1V/1.5V），这与采用3.3V输入时所达到的30％的效率相较之下有了大幅提高。

当选择LDO对数字IC进行供电时，软启动和启用针脚等特性确保正确开启电源。藉由内部参考控制（参见图一）VOUT上升时间，软启动功能可以减少进入输出电容中的开启电流突波。应用程序处理器判断启动时间时，电容设定软启动时间。

在有数字IC的系统中，多重电压是一种常见的配置。ENABLE针脚提供了启用或关闭每个稳压器的方法，这样就不会出现锁住或过量电流的情况。(图二)显示采用低输入LDO对数字IC供电的典型电路，该电路采用电源排序器LM3880确保正确的启动。LM3880能控制多个稳压器的EN针脚，依适当的顺序提供核心和I/O电压。

《图二 采用LM3880三向排序器的典型电源启动电路》

低输入LDO还能提供良好的负载瞬时响应。当评估相似的零件时，应检查测试条件以逐一比较。增大输出电容对负载瞬时响应造成很大的影响。大输出电容会减小由负载瞬时引起的电压过电压/欠电压的幅度。(图三)显示了低输入LDO LP38853在采用两个不同的输出电容时的负载瞬时响应情况，其中过电压/欠电压越小越好。

《图三 采用10μF和100μF陶瓷电容时的LP38853低输入LDO在负载瞬时响应》

采用低输入LDO为数字IC供电

现今数字IC的芯片尺寸不断缩小的趋势，使得设计工程师面临功耗的挑战。选择稳压器时，应考虑功耗的增加、核心电源电压的降低、以及多电源等因素。当以容易使用性和产品上市时间为最优先考虑时，采用低输入线性稳压器是电源的理想选择，因为最新的LDO以低输入到低输出的转换提高效率，拥有确保在多电压系统中正确启动与绝佳负载瞬时效能的特性。

---作者任职于NS 美国国家半导体---