低壓差線性穩(wěn)壓器的使用技巧

時間：2009-01-11 22:50:53

關(guān)鍵字：低壓差線性穩(wěn)壓器 BSP LDO 輸出電壓

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導(dǎo)讀]低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)有許多使用技巧。詳細介紹了提高LD0輸入電壓的方法，多片LDO的并聯(lián)使用方法；并深入闡述能從0V起調(diào)的LDO以及用LDO構(gòu)成恒流源的電路設(shè)計。

l 提高LD0輸入電壓的方法
當輸入電壓超過現(xiàn)有LDO的最高輸入電壓時，可在LD0的輸入端增加一個“前置調(diào)節(jié)器”(Preregulator)，以滿足高壓輸入的條件。利用前置穩(wěn)壓器提高LDO輸入電壓的電路如圖1所示。電路中采用一片由美國Micrel公司生產(chǎn)的MIC29150一12型低壓差線性穩(wěn)壓器，其最高輸入電壓為+26V，輸出為+12V／1A。前置穩(wěn)壓器由達林頓管VT，電阻R1和R2、25V／200mW的穩(wěn)壓管VDz構(gòu)成。達林頓管的電流放大系數(shù)約為1000倍即可。R1為穩(wěn)壓管的限流電阻，R1、R2還作為達林頓管的基極偏置電阻。前置穩(wěn)壓器屬于粗調(diào)穩(wěn)壓器，后級LDO為細調(diào)穩(wěn)壓器，二者組成復(fù)合式穩(wěn)壓器。其作用是將外部輸入電壓降低到+26V以下，使之低于MIC29150一12的最高輸入電壓值。該電路對前置調(diào)節(jié)器的精度指標以及對負載瞬態(tài)響應(yīng)的指標要求并不高，因為這些指標可由后級LDO來實現(xiàn)。

選擇R1和R2的參數(shù)表如表1所列。UI(min)、UI(max)分別為輸入電壓的最小值和最大值。當UI(max)<40V時，可省去R2；當UI(max)>40V時必須增加R2，通過R2進行散熱。前置穩(wěn)壓器也承擔(dān)一部分功率損耗。需要注意的是該復(fù)合式穩(wěn)壓器對最低輸入電壓也是有限制的，其輸出電壓必須低于輸入電壓的最小值，才能正常工作。穩(wěn)壓管的最大功耗為200mW。MIC29150—12的最大功耗為13W；VT的功耗低于15W。

2 LDO的并聯(lián)使用方法
    為獲得大電流輸出，可將兩片或兩片以上的LDO并聯(lián)工作構(gòu)成復(fù)合式穩(wěn)壓器。例如，采用兩片LDO可將輸出電流擴展到2倍；如采用3片LDO，即可將輸出電流擴展到3倍，以此類推。這種方法的特點是將總輸出功率平均分配給每個LDO，并能保持LDO的輸出特性。在同樣的總輸出功率下，使用兩片LDO配一個散熱器，要比使用一片LDO配同一個散熱器的散熱效率提高大約33％。
    將兩片LDO并聯(lián)使用時，必須使二者的電路參數(shù)及散熱量能實現(xiàn)匹配。因為LDO中的PNP型調(diào)整管屬于雙極型晶體管，它具有負的電阻溫度系數(shù)，當溫度升高時，在輸入電壓不變的情況下通過調(diào)整管的電流會變大。如果兩只調(diào)整管不能匹配或二者的工作溫度不同，負載電流不能被兩個LDO平均分配，通過其中一個調(diào)整管的電流就比通過另一個調(diào)整管的電流大。其結(jié)果是電流大的調(diào)整管將更熱，促使電流繼續(xù)增大，釀成“熱量失控”的惡性循環(huán)后果，最終會導(dǎo)致最熱的那片LD0損壞。
    為使兩個LDO能并聯(lián)工作，一種簡單而有效的方法是利用電流檢測電阻和運算放大器，來監(jiān)控通過每個LDO的電流并使之保持平衡。以MIC29712型7．5A大電流、可調(diào)輸出式LD0為例，由兩片MIC29712并聯(lián)使用構(gòu)成的+3．3V／15A的LDO電路如圖2所示。兩片MIC29712分別用LD01、LD02表示，其中LDOl作為主穩(wěn)壓器，LDO2為輔助穩(wěn)壓器。R1和R2為取樣電阻，選擇Rl=205kΩ、R2=124kΩ時，輸出電壓的計算公式為

    選擇R1=205kΩ、R2=124kΩ時，Un=3．29V≈3．3V。
    R3和R5均為電流檢測電阻，選擇其阻值的原則是在適度的輸出電流情況下，能提供一個足夠大的輸出電壓，以便使運算放大器的輸入失調(diào)電壓可忽略不計。如果電阻太小，就會影響匹配；若阻值過大，復(fù)合式穩(wěn)壓器的壓差將會增大。運算放大器MIC6211的反相輸入端接LDO1的輸出端，同相輸入端接LDO2的輸出端，運算放大器的輸出端用來驅(qū)動LD02的調(diào)整端ADJ。利用運算放大器可監(jiān)控LDO2的輸出，使之與LDO1相匹配。MIC6211屬于高性能通用運算放大器，電源電壓范圍是4～32V，采用單電源、雙電源供電均可。其轉(zhuǎn)換速率為6W/μs，增益帶寬為2．5MHz，帶內(nèi)部增益補償。具有反極性保護、輸出限流保護和輸出短路保護功能。反極性保護是指輸入電壓低于電源負端U-的電壓時，能起到保護作用。
    該項技術(shù)亦可應(yīng)用于3個或更多個LDO的并聯(lián)使用。實際上，只要為每個輔助穩(wěn)壓器都配一只電流檢測電阻和運算放大器，即可實現(xiàn)任意數(shù)量穩(wěn)壓器的并聯(lián)擴展應(yīng)用。需要指出，這里是把可調(diào)式主穩(wěn)壓器LDO1的輸出設(shè)定為+3．3V固定電壓，但并不推薦用固定輸出式LDO用作主穩(wěn)壓器。因為后者沒有專門用于檢測負載電壓的ADJ端，并且當通過電流檢測電阻的電流增加時輸出電壓會降低。

3 能從0V起調(diào)的LDO電路設(shè)計
某些實驗室用的可調(diào)式線性穩(wěn)壓電源或供校準用的精密穩(wěn)壓電源，要求輸出電壓必須能從0V開始連續(xù)可調(diào)。但可調(diào)式LDO的調(diào)整范圍只能從其基準電壓UREF到最高輸出電壓，UREF一般為1．2V左右。下面介紹能實現(xiàn)從0V起調(diào)的兩種方法。這兩種情況下都能消除內(nèi)部基準電壓UREF對輸出零點的影響，但要求反饋回路中的所有節(jié)點必須以UREF為參考點并工作在線性區(qū)。
3．1 利用外部基準電壓實現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的方法
利用外部基準電壓實現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的電路如圖3所示。電路中采用一片由美國NSC公司生產(chǎn)的帶隙基準電壓源LM4041-1．2，基準電壓的典型值UREF′=1．225V，與MIC29152內(nèi)部的1．240V基準電壓UREF十分接近。LM4041-1．2屬于低功耗精密基準電壓源，輸出電壓精度優(yōu)于1％，電壓溫度系數(shù)低至15×10-6／℃。其工作電流范圍是60μA～12mA，輸出噪聲電壓僅為20μV(有效值)。由P溝道結(jié)型場效應(yīng)管2N3697和R3構(gòu)成恒流源，給LM4041-1．2和取樣電阻R1和R2提供77μA的恒定電流。其中，通過LM4041-1．2的恒定電流為70μA，通過R1和R2的恒定電流為7μA。當R1選用3MΩ可調(diào)電阻(或電位器)、R2=180kΩ時，Uo可在O～20V內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

    該電路的特點是當R1=0時，Uo=0V，UADJ本應(yīng)為0V，但由于LM404l一1．2給取樣電阻分壓器提供一個與LDO的輸出電壓等效的電壓UREF′，加在ADJ端，因此可使UADJ提升到1．225V，以保證LDO能正常穩(wěn)壓；當R1=2．723MΩ時，根據(jù)式(1)可計算出Uo=20V，從而使輸出電壓能夠從0V起調(diào)。
    該電路的缺點是UREF′與UREF之間存在的微小差異，使實際輸出電壓的最小值為幾毫伏至十幾毫伏，嚴格講還不能從0V起調(diào)。
3．2 利用運算放大器實現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的方法
    利用運算放大器確保LD0能從0V起調(diào)的電路如圖4所示。A1、A2合用一片低功耗、低失調(diào)電壓的雙運放LM358。該電路有以下特點：第一，取樣電阻分壓器的下端并不直接接地，而是接A1的輸出端；第二，調(diào)節(jié)電路由R3~R5組成，R5采用100kΩ電位器，設(shè)計時取R3=R1，R4=R2，這相當于將取樣電阻分壓器“復(fù)制”到調(diào)節(jié)電路中；第三，通過調(diào)節(jié)R5可提升取樣電阻分壓器的地電位，使Uo=0V時，UADJ=1．225V；第四，實際輸出電壓能嚴格的從0V起調(diào)，并且在調(diào)節(jié)過程中U0能平滑地升高，無跳變現(xiàn)象。

4 由LD0構(gòu)成恒流源的電路設(shè)計
利用LDO或VLDO還可構(gòu)成高穩(wěn)定度、高效率的恒流源，適合對電池進行恒流充電。
4．1 由固定輸出式LDO構(gòu)成的恒流源
由固定輸出式LDO構(gòu)成的恒流源電路如圖5所示。該恒流源可向負載RL提供某一恒定的電流IH，當負載發(fā)生變化時LDO通過改變調(diào)整管壓降來維持IH不變，在Uo端與GND之間接固定電阻R，負載則接到GND與地之間。其恒流原理如下：因為LDO的輸出電壓U0穩(wěn)定不變，所以通過R的電流(亦即通過外部負載RL上的電流)IH也不變。如果負載導(dǎo)致IH改變，R上的壓降UR=IHR也隨之改變。但LDO具有穩(wěn)壓作用，它通過自動調(diào)節(jié)內(nèi)部PNP型調(diào)整管的壓降來保證Uo(即UR)值不變，使IH不受負載變化的影響，從而實現(xiàn)了恒流輸出。雖然穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流Id也流過RL，但由于Id很小，一般可忽略不計，因此計算IH的公式為

4．2 由超低壓差線性穩(wěn)壓控制器構(gòu)成的恒流源
超低壓差線性穩(wěn)壓控制器內(nèi)部不包含調(diào)整管，而是通過驅(qū)動外部PNP調(diào)整管或N溝道MOSFET構(gòu)成LDO，這是它們與LDO的重要區(qū)別。由MIC5158型超低壓差線性穩(wěn)壓控制器構(gòu)成的恒流源電路如圖6所示。MIC5158能直接驅(qū)動大功率N溝道MOSFET。由于MIC5158的限流電路是以內(nèi)部比較器的35mV參考電壓為基準的，因此，它具有獨特的線性化的限流特性。

該恒流源具有電路簡單、效率高、能輸出大電流等優(yōu)良性能。如果需要的話，可通過R1和R2來限制輸出電壓的最大值。它所適用的輸出電壓范圍是OV～(U1一△U)，取樣電阻兩端的壓降僅為(IHRDS(ON)+35mV)。即使輸出10A的恒定大電流，取樣電阻的壓降也僅為幾百毫伏。輸出電流由下式確定，即