低压差线性稳压电源（LDO）原理、参数及应用

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前言

这篇介绍低压差线性稳压电源电源的重要就不用多说了很多时候电源设计的好可以直接将这套系统参数提升几个量级。我做的项目里边由于电源改进得当直接将整个项目的结果提升了一个量级。这里先详细介绍低压差线性稳压电源因为我做的项目精度要求比较高所以用的都是线性稳压电源开关电源我后面也会介绍。

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一、低压差线性稳压电源是什么

首先这是一种直流转化为直流的器件。低压差这是相对于传统的线性稳压器传统的线性稳压器可能需要输入电压比输出电压高V否则输出的电压就不是我们想要的目标电压参数会变差。而LDO则只需要就行低的电压差就意味着电源少的发热就意味着电源转化效率的提升。
　　线性说的是指器件的工作状态器件内部的模块工作在放大区放大状态呈现线性关系。它只能降压不能升压消耗的能量大部分通过热量耗散掉。

二、LDO工作原理

LDO内部电路一般包括基准电压、分压取样电路、误差放大电路、调整电路四个模块。如图所示当输出电压由于负载的变化而导致电压变小时采样电路通过取样电路误差放大器运算放大器就可以实现负向端测得VF变小而误差放大器的正向端测得基准电压源不变。误差放大器检测到两者之间的电压差输出就一个正向差值电压就会使流过三极管的电流增大从而使负载端的电压升高达到了调节输出电压的目的。这是最基础的模型最理想的情况。但实际做好一款稳压芯片还是要考虑很多东西的下面慢慢说到。

图　LDO内部电路

基准电压源是整个电路核心部分它给LDO芯片输出电压是否正确提供了一个比对标准。简单的基准电压源可以用稳压管做参数要选择合适加限流电阻防止烧管子。但这种的基准电压不稳定受温度影响很大现在基本都是用带隙基准电压源作为LDO芯片的电压标准它能带来更好的参数。带隙基准电压源现在很多芯片都在用这个东西看名字感觉很复杂但其实原理很简单。它是利用具有正温度系数的电压产生器和具有负温度系数的电压Vbe乘以合适的系数使温度对它们整体的影响相互补偿就可以做到零温度系数的基准电压源了。当它们的总电压等于硅管的能带隙电压1.22V名字的由来时电路就会呈现零温度系数。这种温度补偿的思想很重要很多电路都可以借鉴。

1.NPN稳压器

我们又可以按调整管的不同将稳压芯片分为NPN稳压器LDO和准LDO芯片。NPN稳压器的结构如图2所示。可以看到内部是通过一个PNP管来驱动NPN达林顿管增益大微弱的电流就可以驱动输入和输出之间的压差至少为1.5V~2.5V这个压差也是可以算出来Vdrop=2Vbe+Vsat。Vsat为PNP的CE导通压降。压差大的话就会导致线性电源的效率不会高有很多能量都是以热量的方式耗散掉对于追求长续航低功耗的移动端设备这是无法忍受的。
　　
图2 NPN稳压器

2.LDO稳压器

LDO稳压器中导通管只是一个PNP管如图3所示。这样的话就会带来很低的导通压降带来很小的能量损耗满载的跌落电压Dropout Voltage的典型值小于500mV轻载时的压降仅有10~20mV。LDO的压差为Vdrop=VsatLDO稳压器

图3 LDO稳压器

3.准LDO稳压器

准LDO稳压器就是介于NPN稳压器和LDO稳压器而得名导通管是由单个PNP管来驱动单个NPN管如图4所示。因此它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO稳压器之间Vdrop=Vbe+Vsat准LDO稳压器

图4 准LDO稳压器

单从跌落电压来看LDO稳压器是最优选择但衡量一款稳压芯片是否好用不止从这一个角度来看还要考虑接地电流影响电压转化效率环路控制是否稳定对于高精度的电路这点至关重要外围电路目的就是为了环路稳定的搭建复杂程度等都是衡量的标准。

接地电流受调整管的增益影响负载电流一定时调整管的增益越大接地电流就越小。NPN稳压器的调整管为达林顿管增益极高所以它只需很小的电流就可以驱动负载电流接地电流就会很小。LDO的接地电流就会很高准LDO的接地电流介于两者之间。

除此之外呢NPN稳压器最大的好处就是无条件的稳定外围电路不需要额外的电容。而LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽及提供一些正相位转移补偿。通过引入电容加入极点而电容的等效串联电阻ESR则加入了零点只有引入合适的ESR才能对整个环路的稳定性有帮助所以这就要挑选适合你外围电容的材质和型号。如果ESR不够的话一般还要串联电阻补偿环路零点。

引入电容电阻的目的就是补偿反馈回路让它的相位翻转180°时反馈为负否则就会引起振荡纹波大输出电压不稳定。理想的情况是环路增益为0dB时附加相位大于-135°距离-180°还有-45°。

一般来说LDO的输出电容最好是钽电容而且温度对钽电容的ESR影响会很小。而铝电解电容的ESR受温度影响很大不适合做输出电容。陶瓷电容也可以作为LDO的输出电容只不过要注意的是大容值>1μF的陶瓷电容通常它的ESR很小<20毫欧。如果使用陶瓷电容的话还要串联电阻补偿ESR推荐使用X7R或X5R电容具有良好的温度稳定性和非常低的电压系数挑选时一定要注意耐压值一般电容的耐压值要比最大电压大两到三倍留出一定的裕量。

4.场效应管FET作为导通管LDO

FET的导通阻抗更小这样的话就可以使电源芯片的跌落电压更低同时场效应管三极管是电流控制器件场效应管是电压控制器件的栅极驱动电流极小这样会带来极低的接地电流整体的电源转化效率就会提升。同时对于集成的稳压器而言在单位面积上制造的场效应管的导通阻抗会比双极性开关管的导通阻抗低。这样就可以在更小封装下输出更大的电流。

三、LDO的参数

1.裕量电压

裕量电压是指LDO满足其规格所需的输入至输出的电压差数据手册一般将裕量电压作为指定其他参数时所用的条件。可以理解为你想要达到芯片的参数指标那么你的输入电压和输出电压之差要大于等于裕量电压最好是大于留有一定的裕量。

2.静态电流和接地电流

静态电流IQ是指当外部负载电流为零时只为LDO的内部电路供电所需的电流。它包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流过温检测等的工作电流。IQ=Iin空载时。
接地电流Ignd是指输入电流与输出电流之差这么看来是一定包含静态电流的。低的接地电流可以最大程度地提高LDO的效率。
这两个参数要区分开来静态电流是这个器件的固有属性当它被生产出来它的静态电流就固定了不考虑器件的温漂和老化但Ignd是受负载电流的影响一般来说负载电流增大接地电流也会增大。

3.效率

LDO的效率由接地电流和输入/输出电压确定

若要获得很高的效率就必须最大程度地降低裕量电压和接地电流此外还需要最大程度地缩小输入和输出之间的电压差。如果将5V的电压转化为3.3V这样的LDO的效率不会超过66但如果是输入电压3.6V转3.3V其效率将增加到最高91.7%。
LDO的功耗为前者为调整管产生的功耗后者为接地电流功耗。

4.PSRR电源抑制比

简单地说PSRR 衡量电路抑制电源输入端出现的外来信号噪声和纹波使这些干扰信号不至于破坏电路输出的性能。PSRR 定义为PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)
其中VEIN 和VEOUTT 分别是输入端和输出端出现的外来信号。对于ADC、DAC 和放大器等电路PSRR 适用于为内部电路供电的输入端。对于LDO输入电源引脚为内部电路供电的同时也为输出电压供电。PSRR 具有与直流输入电压调整率相同的关系但包括整个频谱。
100 kHz 至1 MHz 范围内的电源抑制非常重要因为LDO 经常跟高效的开关电源配合使用来为敏感的模拟电路供电。而开关电源的频率一般在这个范围。LDO 的控制环路往往是确定电源抑制性能的主要因素。同时大容量、低ESR 的电容也对电源抑制性能非常有用特别是在频率超过控制环路增益带宽的情况下。
同时轻载时的PSRR优于重载时的。

5.线路瞬态响应

输入电压瞬态响应是指输入电压阶跃变化时的输出电压变化。它与LDO 控制环路的增益带宽以及输入电压变化的大小和速率有关。

6.负载瞬态响应

负载瞬态响应是指负载电流阶跃变化时的输出电压变化。它与输出电容值、电容的等效串联电阻(ESR)、LDO 控制环路的增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关

7.直流负载调整率

负载调整率衡量LDO 在负载条件变化时仍保持额定输出电压的能力。负载调整率定义
负载调整率 = ∆VOUT/∆IOUT

8.直流输入电压调整率

输入电压调整率是衡量LDO 在输入电压变化时仍保持规定输出电压的能力。输入电压调整率定义为
输入电压调整率 = ∆VOUT/∆VIN.

以及电压源的输出精度输出噪声最大电流耗散功率等参数。

8.挑选时考虑的参数

1.当我们选择LDO电源芯片的时候首先得明确我们目标电源是多少即Vout电压最好选择固定电压的不要选择ADJ型号可调节芯片的为了减少外围电路带来的干扰。
2.确定系统的最大输出电流Iout要留出一定的裕量。
3.确定你的压差Vin-Vout是否大于芯片的裕量电压这样才能满足芯片的参数要求。
4.确认PSRR在低噪声的场合或者上一级为开关电源一定要选高PSRR的LDO建议在80dB以上。
5.还要考虑芯片的耗散功率适当计算一下你的系统是否会超过这个值。
6.对续航有要求的话还要挑选低的接地电流低的静态电流。
7.还要挑选精度高直流输入电压调整率低负载瞬态响应快输出噪声低的芯片都要考虑。
8.对于AD芯片或者DA芯片需要的外部基准电压芯片一般也是线性稳压芯片在画PCB板时注意要将功率地和数字地模拟地分离。外围需要电容补偿的芯片一定要好好读手册ESR不够的情况需要串联电阻一定要多实验几组不同阻值的电阻。
9.考虑价格是否容易买到有无可替换产品。

四、总结

线性稳压电源就说到这里了一款产品的电源设计永远是重中之重设计时型号一定要好好挑选。画PCB板时也要考虑考虑注意的。好了就这些如果大家看的有什么问题欢迎提出。觉得不错的可以点个赞哦你的鼓励就是我更新的最大动力。