低壓差線性穩(wěn)壓器設(shè)計要點

1 線性穩(wěn)壓器基本類型及LDO的主要特點 
1．1 線性穩(wěn)壓器的5種基本類型
    線性穩(wěn)壓器的5種基本類型如圖l所示。其中圖1(a)為傳統(tǒng)的NPN型線性穩(wěn)壓器，其輸入一輸出壓差超過2．5～3V，I為驅(qū)動電流(下同)。其中圖1(b)為準低壓差線性穩(wěn)壓器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator)，其壓差可減小到0．9~1．5V。其中圖1(c)為PNP型低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO，Low Dropout Linear Regulator)，其壓差僅為0．3~0．6V。圖l(d)為由P溝道MOS管構(gòu)成的PMOS超低壓差線性穩(wěn)壓器(VLDO，Verv Low Dropout Linear Regulator)，其壓差可降至100mV左右。圖1(e)為由N溝道MOS管構(gòu)成的NMOSVLDO，其壓差壓差可低至幾十毫伏。

    上述5種線性穩(wěn)壓器的壓差計算公式如表1所列。

1．2 LDO的主要特點
    LDO的主要特點是可最大限度地降低調(diào)整管壓降，從而大大減小了輸入一輸出壓差，使穩(wěn)壓器能在輸入電壓略高于額定輸出電壓的條件下工作。例如，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器7805或LM317，要求輸入電壓必須比輸出電壓高出2．5～3V才能正常工作。為獲得+5V輸出，就需要+8V的輸入電壓。與之相比，新型低壓差穩(wěn)壓器的輸入電壓只需高于+5．3V，即可獲得+5V輸出。從電源效率上看，LM317工作在+3．3V、1A時的效率低于50％，若采用Micrel公司的MIC5156型3．3V大電流LDO，則當輸入電壓略高于3．3V時其效率高達95％。
    LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，主要有以下6個優(yōu)點：
    (1)穩(wěn)壓性能好；
    (2)低噪聲(可達幾十個微伏，無開關(guān)噪聲)、低紋波(電源抑制比可達60~70dB)，這對于無線電和通信設(shè)備至關(guān)重要；
    (3)低靜態(tài)電流(超βLDO的靜態(tài)電流可低至幾微安至幾十微安)，低功耗，當輸入電壓與輸出電壓接近時可達到很高的效率；
    (4)具有快速響應(yīng)能力，能對負載及輸入電壓的變化做出快速反應(yīng)；
    (5)外圍電路簡單(僅用兩只電容器)，使用方便；
    (6)成本低廉。

2 LDO的電路設(shè)計要點
    對于特定的應(yīng)用，可根據(jù)設(shè)計條件來選擇最合適的LDO。設(shè)計條件主要包括輸入電源的類型(電池或者交流電源)、輸出電壓及電壓精度、最大負載電流、靜態(tài)(即空載條件下的)電流、特點(有無關(guān)斷、故障標志輸出等功能)。設(shè)計LD0時主要應(yīng)考慮以下問題。
2．1 輸出電壓
    固定輸出式LD0的外圍電路簡單，使用方便，并且能節(jié)省外部取樣電阻分壓器的成本和空間。其輸出電壓值在出廠時已趨于一致(僅限于通用電壓)，輸出電壓精度一般為±5％，這對于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠了。新型LD0采用激光修正技術(shù)，精度指標可達±1％～±2％。特別需要注意產(chǎn)品說明書所給出精度指標的適用條件，例如是在室溫下還是在整個工作溫度范圍內(nèi)，是滿載條件下還是在中等負載或空載條件下。
    可調(diào)輸出式LD0允許在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。若將輸出端與反饋端相連，使輸出電壓等于內(nèi)部基準電壓，則最低輸出電壓一般為1．2V左右。
2．2 最大輸出電流
    最大輸出電流是LDO的一個基本參數(shù)。通常，輸出電流越大，LD0的價格越高。LDO必須能在最不利的工作條件下給負載提供足夠的電流。
2．3 輸入電壓 
    要求輸入電壓必須大于額定輸出電壓與輸入一輸出壓差之和，即U1>U0+△U。否則LDO將失去穩(wěn)壓功能，輸出電壓會隨輸入電壓而改變，此時U0就等于輸入電壓減去調(diào)整管導通電阻(RON)與負載電流的乘積，即U0=U1-RONI0。
2．4 壓差
    壓差是LDO的重要參數(shù)，它表示輸入與輸出之間的電位差。LD0的壓差越小越好。但是當輸入電壓不能滿足“最小壓差”的要求時，LD0就無法正常工作。此時誤差放大器會進入完全導通狀態(tài)，使環(huán)路的增益變?yōu)榱悖瑢ω撦d的穩(wěn)壓能力會變得很差，電源抑制比也大幅度降低。
    需要注意以下幾點：
    第一，在LD0的參數(shù)表中可以有多個甚至多組壓差數(shù)據(jù)，例如在輕載、中等負載、滿載條件下壓差的最小值、典型值和最大值。其中，典型值僅供設(shè)計時參考。最具有實際意義的應(yīng)是滿載條件下壓差的最大值，該參數(shù)值是在最不利的情況下測得的。設(shè)計時應(yīng)以此為依據(jù)，以便留出足夠的余量，確保LDO在最壞的情況下也能正常工作。
    第二，為可靠起見，有時可按U1=U0+△U+lV的關(guān)系式來選擇最低輸入電壓值。
    第三，輸入一輸出壓差并非固定值，它隨輸出電流的增加而增大，隨溫度升高而增加。
2．5 靜態(tài)電流
    靜態(tài)電流是指在空載條件下或關(guān)斷輸出時，LDO內(nèi)部流向地的總電流。靜態(tài)電流越小，穩(wěn)壓器的功耗越低，在某些應(yīng)用中，經(jīng)常選擇待機模式將輸出關(guān)斷，此時電池的使用壽命就取決于靜態(tài)電流的大小。最近推出的新型LD0，靜態(tài)電流可低至75～150μA，并且比普通LDO的穩(wěn)壓特性更好。需要強調(diào)的是LDO的靜態(tài)電流不是一個固定值，它隨負載電流的增大而增加。但VLDO的靜態(tài)電流可近似認為是恒定值。
2．6 輸入電源類型
    輸入電源有兩種類型，一種是直流電源，另一種是交流電源。采用交流電時，首先要經(jīng)過電源變壓器和整流濾波器變成直流電，然后給LD0提供輸入電壓，此時LDO的壓差已不再是關(guān)鍵指標，因為通過增加電源變壓器二次繞組的匝數(shù)，很容易提高LDO的輸入電壓，滿足LDO對壓差的需要。
2．7 LDO的附加功能
    (1)通/斷控制功能允許用機械開關(guān)、門電路或單片機來關(guān)斷LDO的輸出，使之進入低功耗的待機模式(亦稱備用模式)。
    (2)輸入電壓反極性保護功能用來防止當輸入電壓極性接反時損壞LDO。
    (3)故障標記輸出功能當輸出電壓(或輸入電壓)低于規(guī)定閾值電壓時，LD0能輸出故障標記信號。微處理器在接收到此信號后，可及時完成數(shù)據(jù)存儲等項工作。
    (4)瞬變電壓保護功能將LDO用于汽車電子設(shè)備時，需要對負載的瞬態(tài)變化(如突然卸載)進行保護。一旦輸出端出現(xiàn)瞬變電壓，立即將輸出關(guān)斷。等瞬變電壓過去之后，又迅速恢復(fù)正常工作。
    (5)跟蹤能力 某些多路輸出式LDO需要具有跟蹤能力，其中一路或幾路輔助輸出電壓能自動跟蹤主輸出電壓的變化，并及時調(diào)整自己的輸出電壓值，以減小各路輸出之間的相對變化量。
    (6)排序所謂排序，就是在多個穩(wěn)壓電源構(gòu)成的電源系統(tǒng)中，使每個穩(wěn)壓電源的輸出都能按照規(guī)定的順序接通或關(guān)斷。
    (7)可編程可編程是指在規(guī)定范圍內(nèi)對LDO的輸出電壓進行編程，設(shè)定輸出電壓值。對LDO進行編程有以下3種方式：一次性可編程；非易失性多次可編程；易失性多次可編程。

3 印制板的布局
    人們往往將LDO看成“直流電路”，但它實際上是由高頻晶體管組成的，為了快速響應(yīng)輸入電壓或輸出電流的變化，必須具備優(yōu)良的高頻特性。上述特性對印制板的布局和旁路電容都有嚴格要求。印制電路板(PCB)中的分布電容和分布電感會降低回路的補償作用，增加電路的不穩(wěn)定性。LDO的輸入電阻過大，會使壓降增大，進而增加電路的損耗；而輸出電阻過大，會降低負載調(diào)整率。同樣，接地回路也會出現(xiàn)此類問題。上述問題可通過印制板的正確布局來加以解決。為減小分布電容和分布電感，輸入電容器和輸出電容器應(yīng)靠近LDO。在輸入電容器上并聯(lián)一只0．1μF的陶瓷電容器，能消除寄生阻抗的影響。在設(shè)計電池供電系統(tǒng)時，容易忽略電池的高頻阻抗，采用陶瓷電容器可解決許多預(yù)料不到的問題。
    LDO的兩條輸出引線電阻(r01和r02)，會造成不必要的壓降，影響對負載的調(diào)整。解決的方法是適當增加印制導線的寬度以減小引線電阻值。當負載距離LDO很遠時，長引線還極易引起噪聲。為了準確檢測遠程負載上的電壓，建議采用四線制接法，亦稱開爾文(Kelvin)接法，可調(diào)式輸出電路如圖2所示。該電路的特點是增加了兩條細導線作為檢測線，直接將負載R。上的電壓引到取樣電阻分壓器R1和R2的兩端。由于取樣電阻的阻值較大，細導線上通過的電流很小，所形成的壓降可忽略不計，因此能準確檢測輸出電壓值。盡管原來的引線電阻r01和R02仍與負載串聯(lián)，但r02未包含在檢測電路中，因此所形成的壓降并不影響檢測精度。

    采用交流電源時，交流電首先經(jīng)過電源變壓器和整流橋變換成直流脈動電壓，然后送至濾波電容C1。此時接地回路如何布局是一個關(guān)鍵問題。由于脈動電流一般要比平均直流電流大幾倍，因此在地線電阻r0上形成壓降，相對于負載而言就提高了GND端的電位，進而使輸出電壓升高。由于接地回路和脈動電流而降低固定輸出式電壓精度的電路如圖3所示。解決方法是采用單點接地、四線制接法，一方面將信號地線與功率地線分開布置，最后再匯合；另一方面則通過兩條檢測線將負載上的電壓直接加到取樣電阻分壓器上。具有遠程檢測功能的可調(diào)式LDO的電路布局如圖4所示。

    對于TO一220封裝的LDO，在功耗小于2W、中等溫度的條件下可不加散熱器。其他情況下必須加散熱器。連接散熱器的導線長度應(yīng)盡量短，使熱量能更直接地傳遞到印制板上，可利用印制板上的覆銅箔作為散熱器，亦可接外部散熱器。

4 LDO的常見故障分析
    LDO的常見故障分析如表2所列。