LDO工作原理及詳細(xì)參數(shù)

前言

這篇介紹低壓差線性穩(wěn)壓電源，電源的重要就不用多說了，很多時候電源設(shè)計的好，可以直接將這套系統(tǒng)參數(shù)提升幾個量級。我做的項目里邊，由于電源改進(jìn)得當(dāng)，直接將整個項目的結(jié)果提升了一個量級。這里先詳細(xì)介紹低壓差線性穩(wěn)壓電源，因為我做的項目精度要求比較高，所以用的都是線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源我后面也會介紹。

一、低壓差線性穩(wěn)壓電源是什么?

首先這是一種直流轉(zhuǎn)化為直流的器件。低壓差，這是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器可能需要輸入電壓比輸出電壓高2～3V，否則輸出的電壓就不是我們想要的目標(biāo)電壓，參數(shù)會變差。而LDO則只需要200～300mV就行，低的電壓差，就意味著電源少的發(fā)熱，就意味著電源轉(zhuǎn)化效率的提升。

線性說的是指器件的工作狀態(tài)，器件內(nèi)部的模塊工作在放大區(qū)，放大狀態(tài)呈現(xiàn)線性關(guān)系。它只能降壓，不能升壓，消耗的能量大部分通過熱量耗散掉。

二、LDO工作原理

LDO內(nèi)部電路一般包括：基準(zhǔn)電壓、分壓取樣電路、誤差放大電路、調(diào)整電路四個模塊。如圖1所示，當(dāng)輸出電壓由于負(fù)載的變化而導(dǎo)致電壓變小時，采樣電路通過取樣電路，誤差放大器(運(yùn)算放大器就可以實現(xiàn))負(fù)向端測得VF變小，而誤差放大器的正向端測得基準(zhǔn)電壓源不變。誤差放大器檢測到兩者之間的電壓差，輸出就一個正向差值電壓，就會使流過三極管的電流增大，從而使負(fù)載端的電壓升高，達(dá)到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。這是最基礎(chǔ)的模型，最理想的情況。但實際做好一款穩(wěn)壓芯片還是要考慮很多東西的，下面慢慢說到。

圖1　LDO內(nèi)部電路

基準(zhǔn)電壓源是整個電路核心部分，它給LDO芯片輸出電壓是否正確提供了一個比對標(biāo)準(zhǔn)。簡單的基準(zhǔn)電壓源可以用穩(wěn)壓管做(參數(shù)要選擇合適，加限流電阻，防止燒管子)。但這種的基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)定，受溫度影響很大，現(xiàn)在基本都是用帶隙基準(zhǔn)電壓源作為LDO芯片的電壓標(biāo)準(zhǔn)，它能帶來更好的參數(shù)。帶隙基準(zhǔn)電壓源現(xiàn)在很多芯片都在用這個東西，看名字感覺很復(fù)雜，但其實原理很簡單。它是利用具有正溫度系數(shù)的電壓產(chǎn)生器和具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓Vbe，乘以合適的系數(shù)，使溫度對它們整體的影響相互補(bǔ)償，就可以做到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源了。當(dāng)它們的總電壓等于硅管的能帶隙電壓1.22V(名字的由來)時，電路就會呈現(xiàn)零溫度系數(shù)。這種溫度補(bǔ)償?shù)乃枷牒苤匾芏嚯娐范伎梢越梃b。

1.NPN穩(wěn)壓器

我們又可以按調(diào)整管的不同將穩(wěn)壓芯片分為NPN穩(wěn)壓器，LDO和準(zhǔn)LDO芯片。NPN穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看到，內(nèi)部是通過一個PNP管來驅(qū)動NPN達(dá)林頓管(增益大，微弱的電流就可以驅(qū)動)，輸入和輸出之間的壓差至少為1.5V~2.5V，這個壓差也是可以算出來：Vdrop=2Vbe+Vsat。Vsat為PNP的CE導(dǎo)通壓降。壓差大的話就會導(dǎo)致線性電源的效率不會高，有很多能量都是以熱量的方式耗散掉，對于追求長續(xù)航，低功耗的移動端設(shè)備，這是無法忍受的。

圖2 NPN穩(wěn)壓器

2.LDO穩(wěn)壓器

LDO穩(wěn)壓器中，導(dǎo)通管只是一個PNP管，如圖3所示。這樣的話就會帶來很低的導(dǎo)通壓降，帶來很小的能量損耗，滿載的跌落電壓(Dropout Voltage)的典型值小于500mV，輕載時的壓降僅有10~20mV。LDO的壓差為：Vdrop=Vsat(LDO穩(wěn)壓器)。

圖3 LDO穩(wěn)壓器

3.準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器

準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器就是介于NPN穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器而得名，導(dǎo)通管是由單個PNP管來驅(qū)動單個NPN管，如圖4所示。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器之間：Vdrop=Vbe+Vsat(準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器)。

圖4 準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器

單從跌落電壓來看，LDO穩(wěn)壓器是最優(yōu)選擇，但衡量一款穩(wěn)壓芯片是否好用，不止從這一個角度來看，還要考慮接地電流(影響電壓轉(zhuǎn)化效率)，環(huán)路控制是否穩(wěn)定(對于高精度的電路這點至關(guān)重要)，外圍電路(目的就是為了環(huán)路穩(wěn)定)的搭建復(fù)雜程度等都是衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

接地電流受調(diào)整管的增益影響，負(fù)載電流一定時，調(diào)整管的增益越大，接地電流就越小。NPN穩(wěn)壓器的調(diào)整管為達(dá)林頓管，增益極高，所以它只需很小的電流就可以驅(qū)動負(fù)載電流，接地電流就會很小。LDO的接地電流就會很高，準(zhǔn)LDO的接地電流介于兩者之間。

除此之外呢，NPN穩(wěn)壓器最大的好處就是無條件的穩(wěn)定，外圍電路不需要額外的電容。而LDO在輸出端最少需要一個外部電容以減少回路帶寬及提供一些正相位轉(zhuǎn)移補(bǔ)償。通過引入電容加入極點，而電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)則加入了零點，只有引入合適的ESR才能對整個環(huán)路的穩(wěn)定性有幫助，所以這就要挑選適合你外圍電容的材質(zhì)和型號。如果ESR不夠的話，一般還要串聯(lián)電阻，補(bǔ)償環(huán)路零點。

引入電容電阻的目的就是補(bǔ)償反饋回路，讓它的相位翻轉(zhuǎn)180°時，反饋為負(fù)，否則就會引起振蕩(紋波大，輸出電壓不穩(wěn)定)。理想的情況是環(huán)路增益為0dB時，附加相位大于-135°，距離-180°還有-45°。

一般來說，LDO的輸出電容最好是鉭電容，而且溫度對鉭電容的ESR影響會很小。而鋁電解電容的ESR受溫度影響很大，不適合做輸出電容。陶瓷電容也可以作為LDO的輸出電容，只不過要注意的是，大容值(>1μF)的陶瓷電容，通常它的ESR很小(<20毫歐)。如果使用陶瓷電容的話，還要串聯(lián)電阻補(bǔ)償ESR，推薦使用X7R或X5R電容(具有良好的溫度穩(wěn)定性和非常低的電壓系數(shù))，挑選時一定要注意耐壓值，一般電容的耐壓值要比最大電壓大兩到三倍，留出一定的裕量。

4.場效應(yīng)管(FET)作為導(dǎo)通管LDO

FET的導(dǎo)通阻抗更小，這樣的話就可以使電源芯片的跌落電壓更低，同時場效應(yīng)管(三極管是電流控制器件，場效應(yīng)管是電壓控制器件)的柵極驅(qū)動電流極小，這樣會帶來極低的接地電流，整體的電源轉(zhuǎn)化效率就會提升。同時對于集成的穩(wěn)壓器而言，在單位面積上制造的場效應(yīng)管的導(dǎo)通阻抗會比雙極性開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗低。這樣就可以在更小封裝下輸出更大的電流。

三、LDO的參數(shù)

1.裕量電壓

裕量電壓是指LDO滿足其規(guī)格所需的輸入至輸出的電壓差，數(shù)據(jù)手冊一般將裕量電壓作為指定其他參數(shù)時所用的條件。可以理解為，你想要達(dá)到芯片的參數(shù)指標(biāo)，那么你的輸入電壓和輸出電壓之差要大于等于裕量電壓，最好是大于，留有一定的裕量。

2.靜態(tài)電流和接地電流

靜態(tài)電流(IQ)是指當(dāng)外部負(fù)載電流為零時，只為LDO的內(nèi)部電路供電所需的電流。它包括帶隙基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流過溫檢測等的工作電流。IQ=Iin(空載時)。

接地電流(Ignd)是指輸入電流與輸出電流之差，這么看來，是一定包含靜態(tài)電流的。低的接地電流可以最大程度地提高LDO的效率。

這兩個參數(shù)要區(qū)分開來，靜態(tài)電流是這個器件的固有屬性，當(dāng)它被生產(chǎn)出來，它的靜態(tài)電流就固定了(不考慮器件的溫漂和老化)，但I(xiàn)gnd是受負(fù)載電流的影響，一般來說，負(fù)載電流增大，接地電流也會增大。

3.效率

LDO的效率由接地電流和輸入/輸出電壓確定：

若要獲得很高的效率，就必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流，此外還需要最大程度地縮小輸入和輸出之間的電壓差。如果將5V的電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，這樣的LDO的效率不會超過66%，但如果是輸入電壓3.6V轉(zhuǎn)3.3V，其效率將增加到最高91.7%。

LDO的功耗為前者為調(diào)整管產(chǎn)生的功耗，后者為接地電流功耗。

4.PSRR(電源抑制比)

簡單地說，PSRR 衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來信號(噪聲和紋波)，使這些干擾信號不至于破壞電路輸出的性能。PSRR 定義為：PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其中，VEIN 和VEOUTT 分別是輸入端和輸出端出現(xiàn)的外來信號。對于ADC、DAC 和放大器等電路，PSRR 適用于為內(nèi)部電路供電的輸入端。對于LDO，輸入電源引腳為內(nèi)部電路供電的同時也為輸出電壓供電。PSRR 具有與直流輸入電壓調(diào)整率相同的關(guān)系，但包括整個頻譜。

100 kHz 至1 MHz 范圍內(nèi)的電源抑制非常重要，因為LDO 經(jīng)常跟高效的開關(guān)電源配合使用來為敏感的模擬電路供電。而開關(guān)電源的頻率一般在這個范圍。LDO 的控制環(huán)路往往是確定電源抑制性能的主要因素。同時大容量、低ESR 的電容也對電源抑制性能非常有用，特別是在頻率超過控制環(huán)路增益帶寬的情況下。

同時輕載時的PSRR優(yōu)于重載時的。

5.線路瞬態(tài)響應(yīng)

輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)是指輸入電壓階躍變化時的輸出電壓變化。它與LDO 控制環(huán)路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和速率有關(guān)。

6.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是指負(fù)載電流階躍變化時的輸出電壓變化。它與輸出電容值、電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)、LDO 控制環(huán)路的增益帶寬以及負(fù)載電流變化的大小和速率有關(guān)

7.直流負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率衡量LDO 在負(fù)載條件變化時仍保持額定輸出電壓的能力。負(fù)載調(diào)整率定義：

負(fù)載調(diào)整率 = ?VOUT/?IOUT

8.直流輸入電壓調(diào)整率

輸入電壓調(diào)整率是衡量LDO 在輸入電壓變化時仍保持規(guī)定輸出電壓的能力。輸入電壓調(diào)整率定義為：

輸入電壓調(diào)整率 = ?VOUT/?VIN.

以及電壓源的輸出精度，輸出噪聲，最大電流，耗散功率等參數(shù)。