低壓差穩(wěn)壓器（LDO）在系統(tǒng)中的應用

　低壓差穩(wěn)壓器(LDO)能夠在很寬的負載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個電壓差被稱為壓降或裕量要求，在負載電流為2A時可以低至80mV?？烧{(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器1于1977年首次推出?，F(xiàn)在，便攜設備需要使用的低壓差線性穩(wěn)壓器經(jīng)常多達20個。最新便攜設備中的許多LDO被集成進了多功能電源管理芯片2(PMIC)——這是高度集成的系統(tǒng)，擁有20個或以上的電源域，分別用于音頻、電池充電、設備管理、照明、通信和其它功能。

　　然而，隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成式PMIC已經(jīng)無法滿足外設電源要求。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段必須增加專用LDO來給各種選件供電，如相機模塊、藍牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來輔助降低噪聲，解決由電磁干擾(EMI)和印刷電路板(PCB)布線造成的穩(wěn)壓問題，并通過關(guān)閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率。

　　本文將討論基本的LDO拓撲，解釋關(guān)鍵的性能指標，并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。同時使用ADI公司LDO產(chǎn)品系列3的設計特征進行示例說明。　　

　　圖1：采用低壓差 (Vout和在額定負載電流時Vin的最低給定值之間的差值) 技術(shù)穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖。

　　基本的LDO架構(gòu)4。LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成，如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供。傳輸器件的柵極電壓由誤差放大器控制——誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進行比較，然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低，允許更多的電流通過，進而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限制電流流動、降低輸出電壓。

　　這種閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個主要的極點，一個是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點，另一個是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)組成的外部極點。輸出電容及其ESR將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負載電流瞬態(tài)變化的響應性能。為了確保穩(wěn)定性，推薦1Ω或以下的ESR值。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬態(tài)變化。電容值越大，LDO的瞬態(tài)響應性能越好，但會延長啟動時間。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時可以在規(guī)定工作條件下達到很好的穩(wěn)定性能。

　　LDO效率：提高效率一直是設計工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流(Iq)和前向壓降。

　　由于Iq在分母上，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當?shù)偷腎q。當Iq遠小于ILOAD時，在效率計算公式中可以忽略Iq。這樣，LDO的效率公式可以簡化為(Vo/Vin)*100%。由于LDO無法存儲大量的未使用能量，沒有提供給負載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。

　　LDO可以提供穩(wěn)定的電源電壓，這種電壓與負載和線路變化、環(huán)境溫度變化和時間流逝無關(guān)，并且當電源電壓和負載電壓之間的壓差很小時具有最高的效率。例如，隨著鋰離子電池從4.2V(滿充狀態(tài))下降到3.0V(放電后狀態(tài))，與該電池連接的2.8V LDO將在負載處保持恒定的2.8V(壓差小于200mV)，但效率將從電池滿充時的67%增加到電池放電后的93%。

　　為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌，例如使用3.3V開關(guān)穩(wěn)壓器。LDO效率固定為85%，假設開關(guān)穩(wěn)壓器效率為95%，那么系統(tǒng)總效率將是81%。

　　電路特性增強LDO性能： 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關(guān)閉，并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電。軟啟動可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時間。睡眠狀態(tài)能使漏電流最小，這個特性在電池供電系統(tǒng)中特別有用，并且允許快速啟動。當LDO的溫度超過規(guī)定值時，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉LDO。過流保護電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的最小值時禁止輸出。圖2是用于便攜設計的典型電源系統(tǒng)簡圖。

　　圖2：便攜系統(tǒng)中的典型電源域。[!--empirenews.page--]

　　理解線性穩(wěn)壓器要求

　　LDO用于數(shù)字負載：像ADP170和ADP1706這類數(shù)字線性穩(wěn)壓器設計用于支持系統(tǒng)的主要數(shù)字要求，通常是微處理器內(nèi)核和系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)電路。用于DSP和微控制器的LDO必須具有較高的效率，并能處理快速變化的大電流。更新的應用要求給數(shù)字LDO造成了巨大的壓力，因為處理器內(nèi)核為了節(jié)能而經(jīng)常改變時鐘頻率。為了響應軟件導致的負載變化而發(fā)生的時鐘頻率變化對LDO的負載調(diào)整功能提出了嚴格的要求。

　　數(shù)字負載的重要特征有線路調(diào)整率和負載調(diào)整率，以及瞬態(tài)下沖和過沖。在給低電壓的微處理器內(nèi)核供電時，精確的輸出控制總是非常重要，沒有足夠的調(diào)整率將致使內(nèi)核閉鎖。數(shù)據(jù)手冊中并不總是提供上述參數(shù)，瞬態(tài)響應圖形也許表現(xiàn)出對瞬態(tài)信號不錯的上升和下降響應速度。線路和負載調(diào)整率有兩種方式表述：一種是輸出電壓隨負載變化的偏離百分比，實際的V/I值，或者在規(guī)定負載電流條件下同時用兩者表示。

　　為了節(jié)省功耗，數(shù)字LDO需要具有較低的Iq以延長電池壽命。便攜系統(tǒng)有很長時間軟件處于空閑狀態(tài)，這段時間系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。在不活動時，系統(tǒng)將進入睡眠狀態(tài)——要求LDO關(guān)閉，消耗電流不到1 µA。當LDO處于睡眠模式時，所有電路(包括帶隙參考)都將被關(guān)閉。當系統(tǒng)回到活動模式時，要求快速啟動 ——在此期間數(shù)字供電電壓必須不產(chǎn)生過高的過沖。過高的過沖將導致系統(tǒng)閉鎖，有時需要拔出電池或按下主復位按鈕才能解決問題，并重啟系統(tǒng)。

　　LDO用于模擬和射頻負載: 像ADP121和ADP130具有的低噪聲和高電源抑制(PSR)性能對模擬環(huán)境中使用的LDO來說非常重要，因為模擬器件比數(shù)字器件對噪聲更敏感。模擬LDO需求的主要來自無線接口要求——不損傷接收器或發(fā)送器，并在音頻系統(tǒng)中不產(chǎn)生爆破音或嗡嗡聲。無線連接非常容易受噪聲的影響，如果噪聲干擾到信號，接收器的效果將大打折扣。在考慮模擬線性穩(wěn)壓器時，器件要能抑制來自上游電源和下游負載的噪聲，而且自身不增加噪聲，這一點很重要。

　　模擬穩(wěn)壓器噪聲的測量值用電壓有效值(rms)和PSR表示，后者代表了抑制上游噪聲的能力。增加額外的濾波器或旁路電容可以減小噪聲，但增加了成本和體積。仔細和靈活的LDO內(nèi)部設計也有助于噪聲降低和電源噪聲抑制。在選擇LDO時，對涉及每個系統(tǒng)所需的總體性能的產(chǎn)品細節(jié)進行檢查很重要。

　　關(guān)鍵的LDO指標和定義

　　備注：制造商數(shù)據(jù)手冊首頁一般是一些摘要信息，通常突出了一些吸引人的器件特性。關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)常強調(diào)典型的性能特征，但只有查閱了文檔中的完整指標和其它數(shù)據(jù)后才能得到更完整的理解。另外，由于制造商提供指標的方式幾乎沒有標準可言，因此電源設計師需要理解用來獲得電氣指標表格中列出的關(guān)鍵參數(shù)的定義和方法。系統(tǒng)設計師應該密切關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)，如環(huán)境和結(jié)點溫度范圍、圖形信息中的X-Y刻度值 、負載、瞬態(tài)信號的上升和下降時間以及帶寬。下面討論與ADI公司LDO的表征和應用有關(guān)的一些重要參數(shù)。

　　輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。指標可能提供寬的輸入電壓范圍，但最低輸入電壓必須超過壓降加上想要的輸出電壓值。例如，150mV的壓降對于穩(wěn)定的2.8V輸出來說意味著輸入電壓必須大于2.95V。如果輸入電壓低于2.95V，輸出電壓將低于2.8V。

　　接地(靜態(tài))電流：靜態(tài)電流Iq就是輸入電流IIN和負載電流IOUT之間的差值，在規(guī)定的負載電流條件下測量。對于固定電壓穩(wěn)壓器，Iq等于接地電流Ig。對于可調(diào)穩(wěn)壓器，如ADP1715，靜態(tài)電流等于接地電流減去來自外部分壓電阻網(wǎng)絡中的電流。

　　關(guān)斷電流：這是指設備禁用時LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低于1.0 µA。這個指標對于便攜設備關(guān)機時長待機期間的電池壽命來說很重要。

　　輸出電壓精度：ADI公司的LDO具有很高的輸出電壓精度，在工廠制造時就被精確調(diào)整到±1%之內(nèi)(25℃)。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規(guī)定。誤差規(guī)定為±x%最差情況。

　　線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。為了避免由于芯片溫度變化引起的誤差，線路調(diào)整率的測量通常在低功耗狀態(tài)或使用脈沖技術(shù)進行。

　　動態(tài)負載調(diào)整率：只要負載電流緩慢變化，大多數(shù)LDO都能輕松地保持輸出電壓接近恒定不變。然而，當負載電流快速改變時，輸出電壓也將發(fā)生改變。當負載電流發(fā)生變化時輸出電壓會改變多少就決定了負載瞬態(tài)性能。

　　壓差：壓差指保持電壓穩(wěn)定所需的輸入電壓和輸出電壓之間的最小差值。也就是說，LDO能夠在輸入電壓降低時保持輸出負載電壓不變，直到輸入電壓接近輸出電壓加上壓差，在這個點輸出電壓將“失去”穩(wěn)定。壓差應盡可能小，以使功耗最小，效率最高。當輸出電壓降低到低于標稱值 100mV的電壓時，通常被認為達到了這個壓差。負載電流和結(jié)點溫度會影響這個壓差。最大壓差值應在整個工作溫度范圍和負載電流條件下加以規(guī)定。

　　啟動時間：啟動時間被定義為使能信號的上升沿到VOUT接近其標稱值的90%時的時間。這個測試通常是接上VIN、使能引腳從斷開到接通的觸發(fā)條件下進行測量。備注：在使能引腳連接VIN的某些情況下，啟動時間可能會大幅增加，因為帶隙參考需要一定的穩(wěn)定時間。在穩(wěn)壓器需要頻繁關(guān)閉和啟動以節(jié)省功耗的便攜系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的啟動時間是一個重要的考慮因素。[!--empirenews.page--]

　　限流閾值：限流閾值被定義為輸出電壓下降到給定典型值的90%時的負載電流。例如，3V輸出電壓的限流閾值被定義為造成輸出電壓下降到3.0V的90%或2.7V時的負載電流。

　　工作溫度范圍：工作溫度范圍可以由環(huán)境溫度和結(jié)點溫度加以規(guī)定。由于LDO會發(fā)熱，因此IC的工作溫度總是超過環(huán)境溫度，比環(huán)境溫度高出多少取決于工作狀態(tài)和PCB熱設計。數(shù)據(jù)手冊上規(guī)定有最大結(jié)點溫度(TJ)，因為在最大結(jié)點溫度之上工作過長的時間會影響器件的可靠性——統(tǒng)計學上稱為平均故障時間(MTTF)。

　　熱關(guān)斷(TSD)：大多數(shù)LDO具有自動溫度調(diào)節(jié)裝置，用于防止IC發(fā)生熱失控。當結(jié)點溫度超過規(guī)定的熱關(guān)斷閾值時，這個裝置將關(guān)斷LDO。為了在重啟之前讓LDO冷卻下來，要求一定的滯后時間。TSD很重要，因為它不單單保護LDO;過多的熱量影響的不止是穩(wěn)壓器。從LDO傳導到PCB(或從電路板上更熱的元件傳導到LDO)的熱量隨著時間的推移可能破壞PCB材料和焊接可靠性，也會破壞附近元件，進而縮短便攜設備的壽命。另外，熱關(guān)斷將影響系統(tǒng)的可靠性。因此，用于控制電路板溫度的熱設計(散熱器、冷卻裝置等)是重要的系統(tǒng)考慮因素。

　　使能輸入：LDO使能信號以正和負邏輯的形式提供，用于關(guān)閉和啟動LDO。高電平有效邏輯在使能端電壓超過邏輯高電平門限時使能器件，低電平有效邏輯在使能端電壓低于邏輯低門限電平時使能器件。使能輸入允許外部控制LDO的關(guān)閉和啟動，這是多電壓軌系統(tǒng)中調(diào)整電源上電順序的一個重要特性。一些LDO具要相當短的啟動時間，因為它們的帶隙參考在LDO禁用時是打開的，允許LDO更快地啟動。

　　欠壓閉鎖：欠壓閉鎖(UVLO)可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓LDO器件上電。

　　輸出噪聲：LDO的內(nèi)部帶隙電壓參考是噪聲源，通常用給定帶寬范圍內(nèi)的毫伏有效值表示。例如，ADP121在VOUT為1.2V時，在10kHz至100kHz的帶寬范圍內(nèi)有40µV rms的輸出噪聲。在比較數(shù)據(jù)手冊指標時，給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。

　　電源抑制比：電源抑制比(PSR)用分貝表示，代表了LDO在寬的頻范圍(1kHz至100kHz)內(nèi)對來自輸入電源的紋波的抑制能力。在LDO中，PSR可以用兩個頻段表征。頻段1從直流到控制環(huán)路的單位增益頻率，這時的PSR取決于穩(wěn)壓器的開環(huán)增益。頻段2在單位增益頻率之上，這時的PSR不受反饋環(huán)路的影響，PSR取決于輸出電壓以及從輸入到輸出引腳的任何泄漏路徑。選擇一個適合的高值輸出電容通常會改善后個頻段的PSR。在頻段1，ADI公司專有的電路設計可以減少由于輸入電壓和負載變化引起的PSR變化。為了獲得最佳的電源抑制性能，PCB版圖設計時必須考慮減小從輸入到輸出的泄漏，而且要有魯棒性的接地性能。

　　最小輸入和輸出電容：最小輸入和輸出電容應大于在各種工作條件 (尤其是工作電壓和溫度) 下的規(guī)定值。在器件選型時必須考慮應用中的各種工作條件，確保滿足最小的電容規(guī)格。推薦使用X7R和X5R型電容。Y5V和Z5U電容不推薦在任何LDO電路中使用。

　　反向電流保持特性：采用PMOS傳輸管的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管。當VIN大于VOUT時，這個二極管將處于反偏狀態(tài)。如果VOUT大于VIN，這個本征二極管將變成前向偏置，產(chǎn)生從VOUT到VIN的電流，進而造成破壞性的功耗。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，有額外的電路防止從VOUT到VIN的反向電流流動。反向電流保護電路檢測到VOUT超過VIN時，將反轉(zhuǎn)本征二極管連接的方向，使二極管仍處于反偏狀態(tài)。

　　軟啟動：可編程軟啟動有助于減小啟動時的浪涌電流和提供上電順序。對于啟動時要求浪涌電流受控的應用，有些LDO(如ADP1740/ADP1741)提供了可編程的軟啟動(SS)功能。為了實現(xiàn)軟啟動，在SS和地引腳之間需要連接一個小的陶瓷電容。

　　結(jié)束語

　　LDO執(zhí)行的是一個重要功能。雖然概念上很簡單，但在應用時需要考慮許多方面的因素。本文介紹了基本的LDO拓撲，解釋了一些關(guān)鍵指標和低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。在數(shù)據(jù)手冊中還包含了許多有用的信息。欲了解進一步信息(選型指南、數(shù)據(jù)手冊、應用筆記)——以及獲取人工幫助的方式——請訪問電源管理6網(wǎng)站。這個網(wǎng)站同時還提供業(yè)界最快、最精確的DC/DC電源管理設計工具7ADIsimPower™.