【導讀】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80m?？烧{(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器1于1977年首次推出。
現(xiàn)在，便攜設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)用。同時使用ADI公司 LDO產(chǎn)品系列3.的設(shè)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(yīng)性能。為了確保穩(wěn)定性，推薦1?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(yīng)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(shè)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 L D O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(shè)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(shè)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
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(shè)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(yīng)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(yīng) 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(yīng)圖形也許表現(xiàn)出對瞬態(tài)信號不錯的上升和 下降響應(yīng)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(P SR)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。
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(shè)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(shè)計師應(yīng)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(yīng)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， 150m V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(luò)中的電流。
關(guān)斷電流: 這是指設(shè)備禁用時 LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低于1.0 μ A。這個指標對于便攜設(shè)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°C)。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(yīng)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(yīng)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。
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(shè)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(shè)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(shè)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(U V LO)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，A D P121在VOUT為1.2V時，在10k H z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(P SR)用分貝表示，代表了LDO 在寬的頻范圍（1k H z至100k H z）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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)本征二極管連接的方向，使二極管仍處于反偏狀態(tài)。
S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(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計工具7ADIsimPower™。
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