現在
，便攜設備需要使用的低壓差線性穩壓器經常多達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)—這是高度集成的係統
，擁有20個或以上的電源域，分別用於音頻
、電池充電、設備管理、照明
、通信和其它功能。

 

然而，隨著便攜係統的快速發展，集成式PMIC已經無法滿足外設電源要求。在係統開發的後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
，解決由電磁幹擾(EMI) 和印刷電路板(PCB)布線造成的穩壓問題
，並通過關閉不需要的功能來提高係統效率。

 

本文將討論基本的LDO拓撲，解釋關鍵的性能指標，並展示低壓差穩壓器在係統中的應用。同時使用ADI公司 LDO產品係列3.的設計特 征進行示例說明。

 

圖1：采用低壓 差（V_out和在額定負載電流時 V_in的最低給定值之間的差值）技術穩定輸出電壓的LDO框圖

 

基本的LDO架構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製—誤wu差cha放fang大da器qi將jiang參can考kao電dian壓ya和he反fan饋kui電dian壓ya進jin行xing比bi較jiao，然ran後hou放fang大da兩liang者zhe的de差cha值zhi以yi便bian減jian小xiao誤wu差cha電dian壓ya。如ru果guo反fan饋kui電dian壓ya低di於yu參can考kao電dian壓ya
，傳chuan輸shu晶jing體ti管guan的de柵zha極ji電dian壓ya將jiang被bei拉la低di，允yun許xu更geng多duo的de電dian流liu 通過，進而提高輸出電壓。如果反饋電壓高於參考電壓
，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限製電流流動、降低輸出電壓.

 

這種閉環係統的動態特性基於兩個主要的極點

，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電阻(ESR)組成的外部極點。輸出電容及其ESR 將影響環路穩定性和對負載電流瞬態變化的響應性能。為了確保穩定性，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製負載瞬態變化。電容值越大，LDO 的瞬態響應性能越好
，但會延長啟動時間。ADI公司的LDO在使用規定電容時可以在規定工作條件下達到很好的穩定性能。

 

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電流(I_Q)和前向壓降。.

 

 

由於I_Q在分母上

，因此很明顯I_Q越高效率就越低。如今的LDO具有相當低的I_Q。當I_Q遠小於ILOAD時，在效率計算公式中可以忽略I_Q。這樣，LDO的效率公式可以簡化為(V_o/V_in)*100%。由於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 可以提供穩定的電源電壓，這種電壓與負載和線路變化、環境 溫度變化和時間流逝無關，並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）下降到3.0V（放電後狀態）
，與該電池連接的2.8V L D O將在負載處保持恒定的2.8V（壓差小於200mV），但效率將從電池滿充時的 67%增加到電池放電後的93%。

 

為了提高效率
，LDO可以連接到由高效率開關穩壓器產生的中間電壓軌，例如使用 3.3V開關穩壓器。LDO效率固定為85%

，假設開關穩壓器效率為95%，那麼係統總效率將是81%。

 

電路特性增強LDO性能: 使能輸入端允許通過外部電路控製LDO的啟動和關閉，並允許在多電壓軌係統中按正確的順序加電。軟啟動 可(ke)以(yi)在(zai)上(shang)電(dian)期(qi)間(jian)限(xian)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)和(he)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)。睡(shui)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)能(neng)使(shi)漏(lou)電(dian)流(liu)最(zui)小(xiao)
，這(zhe)個(ge)特(te)性(xing)在(zai)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)特(te)別(bie)有(you)用(yong)，並(bing)且(qie)允(yun)許(xu)快(kuai)速(su)啟(qi)動(dong)。當(dang) LDO的溫度超過規定值時，熱關斷電路將關閉LDO。過流保護電路可以限製LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低於規定的最小 值時禁止輸出。圖2 是用於便攜設計的典型電源係統簡圖.

 

圖 2：便攜係統中的典型電源域

 

理解線性穩壓器要求

 

LDO 用於數字負載: 像 ADP170 和 ADP1706這類數字線性穩壓器設計 用於支持係統的主要數字要求，通常是微處理器內核和係統輸入/輸出(I/O)電路。用於DSP和微控製器的LDO 必須具有較高的效率，並能處理快速變化的大電流。更新的應用要求給數字LDO造成了巨大的壓力
，因為處理器內核為了節能而經常改變時鍾頻率。為了響應 軟件導致的負載變化而發生的時鍾頻率變化對LDO的負載調整功能提出了嚴格的要求。

 

數字負載的重要特征有線路調整率和負載調整率
，以及瞬態下衝和過衝。在給低電壓的微處理器內核供電時，精確的輸出控製總是非 常重要，沒有足夠的調整率將致使內核閉鎖。數據手冊中並不總是提供上述參數，瞬態響應圖形也許表現出對瞬態信號不錯的上升和 下降響應速度。線路和負載調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 者在規定負載電流條件下同時用兩者表示。

 

為了節省功耗
，數字LDO需要具有較低的Iq以 延長電池壽命。便 攜係統有很長時間軟件處於空閑狀態
，這段時間係統處於低功耗狀態。在不 活動時，係統將進入睡眠狀態—要求LDO關閉
，消耗電流不到1 μA。當LDO處於睡眠模式時，所有電路（包括帶隙參考）都將被關閉。當係 統回到活動模式時，要求快速啟動—在此期間數字供電電壓必須不產生過高的過衝。過高的過衝將導致係統閉鎖，有時需要拔出電 池或按下主複位按鈕才能解決問題，並重啟係統。

 

LDO 用於模擬和射頻負載: 像 ADP121 和 ADP130具有的低噪聲和高電源抑製(P SR)性能對模擬環境中使用的LDO來說 非常 重要
，因為模擬器件比數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—不損傷接收器或發送器，並在音頻係統中不產生爆破音或嗡嗡聲。無線連接非常容易受噪聲的影響，如果噪聲幹擾到信號， 接收器的效果將大打折扣。在考慮模擬線性穩壓器時，器件要能抑 製來自上遊電源和下遊負載的噪聲

，而且自身不增加噪聲，這一點很 重要。

 

關鍵的LDO指標和定義

 

備注: ：製造商數據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。關鍵參數經常強調典型的性能特征
，但隻有查 閱了文檔中的完整指標和其它數據後才能得到更完整的理解。另外
，由於製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鍵參數的定義和方法。係統設計師應該密切關注關鍵參數，如環境和結點溫度範圍
、圖形信息中的 X-Y刻度值
、負載、瞬態信號的上升和下降時間以及帶寬。下麵討論與ADI公司LDO的表征和應用有關的一些重要參數。

 

輸入電壓範圍: ： LDO的de輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei決jue定ding了le最zui低di的de可ke用yong輸shu入ru電dian源yuan電dian壓ya。指zhi標biao可ke能neng提ti供gong寬kuan的de輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei
，但dan最zui低di輸shu入ru電dian壓ya必bi須xu超chao過guo壓ya降jiang加jia上shang想xiang要yao的de輸shu出chu電dian壓ya值zhi。例li如ru， 150m V的壓降對於穩定的2.8V輸出來說意味著輸入電壓必須大於2.95V。如果輸入電壓低於2.95V
，輸出電壓將低於2.8V。

 

接地（靜態）電流: 靜態電流Iq 就是輸入電流IIN和負載電流IOUT之間的差值
，在規定的負載電流條件下測量。對於固定電壓穩壓器， IQ等於接地電流IG。對於可調穩壓器，如 ADP1715, 靜態電流等於接地電流減去來自外部分壓電阻網絡中的電流。

 

關斷電流: 這是指設備禁用時 LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低於1.0 μ A。這個指標對於便攜設備關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，在工廠製造時就被精確調整到±1%之內(25°C)。輸出電壓精度在工作溫度、輸 入電壓和負載電流範圍條件下加以規定。誤差規定為±x%最差情況.

 

線路調整率: 線路調整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發生的變化率。為了避免由於芯片溫度變化引起的誤差，線路調整率的測量 通常在低功耗狀態或使用脈衝技術進行。

 

動態負載調整率: 隻要負載電流緩慢變化，大多數LDO都能輕鬆地 保bao持chi輸shu出chu電dian壓ya接jie近jin恒heng定ding不bu變bian。然ran而er，當dang負fu載zai電dian流liu快kuai速su改gai變bian時shi，輸shu出chu電dian壓ya也ye將jiang發fa生sheng改gai變bian。當dang負fu載zai電dian流liu發fa生sheng變bian化hua時shi輸shu出chu電dian壓ya會hui改gai變bian多duo少shao就jiu決jue定ding了le負fu載zai瞬shun態tai性xing能neng。

 

壓差:壓差指保持電壓穩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於標稱值 100mV的電壓時
，通常被認為達到了這個壓差。負載電流和結點溫度會影響這個壓差。最大壓差值應在整個工作溫度範圍 和負載電流條件下加以規定。

 

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定時間。在 穩壓器需要頻繁關閉和啟動以節省功耗的便攜係統中，穩壓器的啟動時間是一個重要的考慮因素。

 

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。

 

工作溫度範圍: 工作溫度範圍可以由環境溫度和結點溫度加以規定。 由於LDO會發熱
，因此IC的工作溫度總是超過環境溫度，比環境溫度高出多少取決於工作狀態和PCB熱設計。數據手冊上規定有最大結 點溫度(TJ)，因為在最大結點溫度之上工作過長的時間會影響器件的可靠性—統計學上稱為平均故障時間(MTTF)。

 

熱關斷(TSD):大多數LDO具有自動溫度調節裝置
，用於防止IC發生熱失控。當結點溫度超過規定的熱關斷閾值時
，這個裝置將關斷 LDO。為了在重啟之前讓LDO冷卻下來，要求一定的滯後時間。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，熱關斷將影響係統的可靠性。因此

， 用於控製電路板溫度的熱設計（散熱器

、冷卻裝置等）是重要的係統考慮因素。

 

使能輸入: LDO 使能信號以正和負邏輯的形式提供，用於關閉和啟動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於邏輯低門限電平時使能器件。使能輸入允許外部控製LDO 的關閉和啟動

，這是多電壓軌係統中調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(U V LO)可以確保隻有在係統輸入電壓高於規定閾值時才向負載輸出電壓。 UVLO很重要，因為它隻在輸入電壓達到或超過器件穩定工作要求的電壓時才讓LDO器件上電。

 

輸出噪聲: ：LDO的內部帶隙電壓參考是噪聲源，通常用給定帶寬範 圍內的毫伏有效值表示。例如，A D P121在VOUT為1.2V時
，在10k H z至100kHz的帶寬範圍內有40μV rms 的輸出噪聲。在比較 數據手冊指標時，給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。

 

電源抑製比: 電源抑製比(P SR)用分貝表示，代表了LDO 在寬的頻範圍（1k H z至100k H z）內對來自輸入電源的紋波的抑製能力。在LDO中，PSR 可以用兩個頻段表征。頻段1從直流到控製環路的單位增益頻率
，這時的PSR取決於穩壓器的開環增益。頻段2 在單位增益頻率之上，這 時的PSR不受反饋環路的影響，PSR取決於輸出電壓以及從輸 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後個頻段的PSR。在頻段1，ADI公司專有的電路設計可以減少 由於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製性能，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於在各種工作條件 （尤其是工作電壓和溫度）下的規定值。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大於VOUT 時
，這個二極管將 處於反偏狀態。如果VOUT大於VIN，這個本征二極管將變成前向偏置，產生從VOUT到VIN的電流
，進而造成破壞性的功耗。一些LDO ，如e 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，將反轉本征二極管連接的方向，使二極管仍處於反偏狀態。

 

S軟啟動:可編程軟啟動有助於減小啟動時的浪湧電流和提供上電 順序。對於啟動時要求浪湧電流受控的應用，有些 LDO（如A D P 174 0 /A D P 1741）提供了可編程的軟啟動(S S)功能。為了實現軟啟動
，在SS和地引腳之間需要連接一個小的陶瓷電容。

 

結束語

 

LDO執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麵的因素。本文介紹了基本的LDO拓撲，解釋了一些關鍵指標和低壓差穩壓器在係統中的應用。在數據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、數據手冊、應用筆記）—以及獲取人工幫助的方式—請訪問 電源管理6網站. 這個網站同時 還提供業界最快
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