LDO 基礎(chǔ)知識：防止反向電流

1.前言

在大多數(shù)低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 中，電流就像單行道——方向錯誤，可能會出現(xiàn)重大問題！反向電流是電流從V流OUT到V IN，而不是從V IN與V OUT。該電流通常穿過 LDO 的體二極管而不是正常的導(dǎo)電通道，并且有可能導(dǎo)致長期可靠性問題甚至損壞器件。

2.LDO簡介

LDO 包含三個主要組件（見圖 1）：帶隙基準、誤差放大器和傳輸場效應(yīng)晶體管 (FET)。在典型應(yīng)用中，通路 FET 像任何普通 FET 一樣在源極和漏極之間傳導(dǎo)電流。用于創(chuàng)建 FET 主體的摻雜區(qū)域（稱為體）與源極相連；這減少了閾值電壓的變化量。

圖 1：LDO 功能框圖

將體與源連接在一起的一個缺點是在 FET 中形成寄生體二極管，如圖 2 所示。這種寄生二極管稱為體二極管。在這種配置中，當輸出超過輸入電壓加上寄生二極管的 V FB時，體二極管可以開啟。通過該二極管的反向電流會因器件發(fā)熱、電遷移或閂鎖事件而導(dǎo)致器件損壞。

圖 2：p 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體 (PMOS) FET 的橫截面圖

在設(shè)計 LDO 時，重要的是要考慮反向電流以及如何防止它。在這篇文章中，我將介紹兩種在應(yīng)用級防止反向電流的方法和在集成電路 (IC) 設(shè)計過程中的兩種方法。

有四種常見的防止反向電流流動的方法，兩種在應(yīng)用層面，兩種在設(shè)計階段。

3.使用肖特基二極管

如圖 3 所示，當輸出電壓超過輸入電壓時，在 OUT 到 IN 之間使用肖特基二極管將防止 LDO 中的體二極管導(dǎo)通。我們必須使用肖特基二極管，因為它們的正向電壓較低。傳統(tǒng)二極管的正向電壓比肖特基二極管高得多。在正常工作期間，肖特基二極管是反向偏置的，不會傳導(dǎo)任何電流。這種方法的另一個優(yōu)點是在輸出和輸入之間放置肖特基二極管時 LDO 的壓降不會增加。

圖 3：使用肖特基二極管防止反向電流

4.在 LDO 前使用二極管

如圖 4 所示，這種方法在 LDO 前面使用一個二極管來防止電流回流到電源中。這是防止反向電流的有效方法，但它也增加了保持 LDO 不出現(xiàn)壓降所需的必要輸入電壓。當輸入電源斷開的瞬間 如果LDO的輸入電壓的下降速度遠低于LDO的輸出下降速度的時候 如果沒有這個二極管的話 很可能會出現(xiàn)輸出的電壓高于輸入電壓 這樣有可能造成損壞LDO，加了這個二極管就可以保證就算輸入大于輸出也只能大于一個二極管的壓降0.7V 一般這個電壓還不至于損壞LDO。在反向電流條件下，放置在 LDO 電源上的二極管變?yōu)榉聪蚱?，并且不允許任何電流流動。此方法類似于下一個方法。

圖 4：在 LDO 之前使用二極管防止反向電流

5.使用第二個 FET

旨在阻止反向電流流動的 LDO 通常使用第二個 FET 來幫助防止反向電流流動。兩個 FET 的源極背靠背放置，如圖 5 所示，使體二極管彼此面對?，F(xiàn)在，當檢測到反向電流情況時，其中一個晶體管將關(guān)閉，電流無法流過背對背二極管。

這種方法的最大缺點之一是使用這種架構(gòu)時壓差基本上加倍。為了降低壓差，我們必須增加金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的尺寸，從而增加整體解決方案的尺寸。TI 的TPS7B7702-Q1 等汽車 LDO使用這種方法來防止反向電流流動。

圖 5：背對背 FET 以防止反向電流

6.將大部分 MOSFET 連接到 GND

這種方法是實現(xiàn)反向電流的最不常用的方法，但仍然非常有效，因為它消除了 MOSFET 的體二極管。這種方法將 MOSFET 的大部分連接到 GND，消除了導(dǎo)致寄生體二極管的源極連接。TI 的TPS7A37使用這種方法來實現(xiàn)反向電流保護。一個優(yōu)點是將大部分 MOSFET 連接到 GND 不會增加 LDO 的壓降。

圖 6：將大部分 FET 連接到 GND

7.結(jié)論

當我們的應(yīng)用需要反向電流保護時，請尋找提供所需電平的 LDO 拓撲。如果具有反向電流保護的 LDO 不能滿足所有系統(tǒng)要求，請考慮使用二極管實現(xiàn)反向電流保護。