探索NCP731 LDO穩壓器：特性、應用與設計要點

在電子設計領域，低壓差線性穩壓器（LDO）是至關重要的組件，它能為系統提供穩定的電源。今天我們要深入了解的是安森美（onsemi）的NCP731 LDO穩壓器，看看它有哪些獨特之處，以及在實際應用中如何進行設計。

文件下載：onsemi NCP731低噪聲CMOS LDO穩壓器.pdf

1. NCP731概述

NCP731是一款CMOS LDO穩壓器，具備非常低的噪聲、低靜態電流、快速瞬態響應以及較寬的輸入和輸出電壓范圍等特點。它的輸入電壓最高可達38V，輸出電流為150mA，極低的噪聲（8 VRMS）使其成為對系統性能要求較高的應用的理想選擇，例如為運算放大器、模數/數模轉換器等精密模擬電路供電。同時，內部的短路和過溫保護功能能有效保護器件免受過載情況的影響。

框圖

1.1 關鍵特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.7V至38V，輸出電壓可調范圍為1.2V至35V，還有3.3V和5.0V的固定輸出電壓版本可供選擇。
• 低噪聲：在10Hz至100kHz的頻率范圍內，噪聲僅為8 VRMS。
• 低靜態電流：典型值為48μA，關機電流典型值為100nA。
• 低壓差：在150mA輸出電流時，典型壓差為290mV。
• 高精度輸出電壓：在25°C時，輸出電壓精度為±0.6%。
• 可編程軟啟動電路：通過連接電容可設置軟啟動時間。
• 穩定性好：使用小至1μF的陶瓷電容即可保持穩定。
• 保護功能齊全：具備過流和熱關斷保護。
• 環保封裝：采用Micro - 8 EP封裝，無鉛且符合RoHS標準。

2. 引腳功能與參數

2.1 引腳描述

2.2 最大額定值

NCP731的各個引腳和參數都有其最大額定值，例如輸入電壓為 - 0.3V至40V，輸出電壓根據不同版本有所限制，EN引腳電壓為 - 0.3V至（VIN + 0.3）V等。在設計時，必須確保各引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會損壞器件。

2.3 電氣特性

文檔中給出了在特定測試條件下（如$V{IN }=V{OUT - NOM }+1 ~V$ ，$V{E N}=1.2 ~V$ ，$I{OUT }=1 ~mA$ 等）的電氣特性參數，這些參數能幫助我們了解器件在不同工作條件下的性能表現。例如，輸出電壓的紋波、靜態電流、壓差等參數，對于評估穩壓器的性能至關重要。

3. 典型特性曲線

文檔中提供了大量的典型特性曲線，展示了NCP731在不同條件下的性能表現。

3.1 輸出電壓相關特性

包括輸出電壓與溫度、負載的關系曲線。從這些曲線中我們可以看出，輸出電壓在不同溫度和負載條件下的穩定性。例如，隨著溫度的升高，輸出電壓可能會有一定的變化，我們可以根據曲線來評估這種變化是否在系統可接受的范圍內。

3.2 噪聲特性

有多條關于輸出電壓噪聲密度的曲線，展示了噪聲密度與輸出電壓、輸入電壓、輸出電容、負載電流等因素的關系。在對噪聲要求較高的應用中，這些曲線能幫助我們選擇合適的參數，以降低輸出電壓的噪聲。

3.3 電源抑制比（PSRR）特性

PSRR曲線展示了PSRR與不同參數（如輸出電容、輸入電壓、負載電流等）的關系。PSRR反映了穩壓器對輸入電壓紋波的抑制能力，較高的PSRR值意味著穩壓器能更好地抑制輸入電壓的波動，提供更穩定的輸出電壓。

3.4 瞬態響應特性

負載瞬態響應和線路瞬態響應曲線展示了穩壓器在負載或輸入電壓突然變化時的響應能力。快速的瞬態響應能確保在負載或輸入電壓突變時，輸出電壓能迅速恢復穩定，避免對系統造成不良影響。

4. 應用信息

4.1 電容選擇

• 輸入電容（CIN）：為保證器件的穩定性，輸入電容應盡可能靠近器件連接，其值至少為1μF，且越大越好。陶瓷電容（如X5R、X7R）因其低等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）而被推薦使用。在LDO輸入電源負載瞬態響應較差或輸出阻抗較高的情況下，輸入電容需要顯著增大至幾十μF，以避免輸入電壓下降到最低水平以下。
• 輸出電容（COUT）：LDO要求輸出電容盡可能靠近輸出和接地引腳連接。輸出電容的有效電容范圍為1μF至1000μF，ESR范圍為1mΩ至50mΩ。同樣推薦使用陶瓷電容（如X5R、X7R），因為它們在指定溫度范圍內的電容變化較小且ESR較低。較大的電容值和較低的ESR能改善負載瞬態響應、PSRR和輸出電壓噪聲，因此推薦使用10μF的輸出電容。

4.2 輸出電壓設置

NCP731提供固定輸出電壓（FIX）和可調輸出電壓（ADJ）兩種版本。

• FIX版本：輸出電壓等于LDO的標稱輸出電壓$V_{OUT - NOM}$。
• ADJ版本：可通過外部電阻分壓器連接到OUT、ADJ和GND引腳來調節輸出電壓，計算公式為$V{OUT }=V{ADJ } \cdot\left(1+\frac{R{1}}{R{2}}\right)+I{ADJ} \cdot R{1}$ ，其中$V{ADJ}$為ADJ版本的參考電壓（1.2V），$I{ADJ}$為ADJ引腳的輸入電流。文檔中還給出了一些電阻分壓器的示例值，供我們參考。

4.3 啟動過程

NCP731的啟動過程由兩個主要內部信號觸發：IN引腳欠壓鎖定（UVLO）信號和使能信號。當這兩個信號都變為高電平時，啟動過程開始。前饋電容（$C{FF}$）會影響輸出電壓的上升時間和形狀，當$C{FF}$小于或略大于軟啟動電容（$C{SS}$）時，輸出電壓線性上升，且上升時間可通過$C{SS}$進行編程。

4.4 熱保護與功耗計算

當LDO的管芯溫度超過熱關斷閾值時，器件會內部禁用，直到溫度下降到熱關斷滯后值以下才會重新啟用。熱關斷功能可防止器件因過熱而損壞。功率耗散可通過公式$P{DIS }=\frac{T{J}-T{A}}{R{\theta JA}}$ 或$P{DIS }=\frac{T{J}-T{B}}{R{\theta JB}}$ 計算，其中$T{J}$為結溫，$T{A}$為環境溫度，$T{B}$為板溫度，$R{\theta JA}$和$R_{\theta JB}$分別為結到環境和結到板的熱阻。通過這些公式，我們可以計算出最大允許的功率耗散和負載電流，避免器件過熱。

4.5 PCB布局建議

為獲得良好的LDO穩定性和最佳的瞬態、PSRR和輸出電壓噪聲性能，應將輸入和輸出電容盡可能靠近器件引腳放置，PCB走線應寬而短，并將電容放置在與LDO相同的PCB銅層上，避免通過過孔連接。對于高阻抗的ADJ/FF和SS引腳，應防止其走線與應用中的任何開關信號發生電容耦合。GND引腳和外露焊盤必須連接到PCB的GND平面，以實現良好的功率擴散。

5. 總結

NCP731是一款性能出色的LDO穩壓器，具備低噪聲、低靜態電流、快速瞬態響應等優點，適用于多種對電源穩定性要求較高的應用場景。在設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇電容、設置輸出電壓、考慮啟動過程和熱保護等因素，并遵循PCB布局建議，以確保穩壓器能發揮最佳性能。你在使用LDO穩壓器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。