
說它好用,是因為(wei) 在普通設計裏,隻需要加入合適的輸入電壓,和幾個(ge) 濾波電容即可得到想要的輸出電壓,非常簡單,然而也正因為(wei) 這看似簡單的用法也要工程師熟悉LDO的主要參數結合自己的具體(ti) 設計。LDO是靠自身的反饋環路控製主功率管,與(yu) 負載分壓,保持輸出端電壓的穩定。不同於(yu) DC-DC,LDO 的輸入電流,輸出電流,和負載電流相等,屬於(yu) 串聯關(guan) 係,因此 LDO 本身就是靠消耗一部分功率來維持輸出端的穩定。
LDO 的主要參數
1、輸入電壓範圍
------考慮係統提供給 LDO 輸入的範圍,不能超過 LDO 最大可以承受的電壓,同時係統最低電壓時應能保證 LDO 可以正常工作。
2、輸出電壓範圍
------考慮需要的輸出電壓,ADJ 的外部多兩(liang) 個(ge) 電阻,固定電壓輸出的會(hui) 降低整體(ti) 靜態功耗。
3、輸出電流(與(yu) 內(nei) 部限流值相關(guan) )
------考慮需要的輸出電流,最好預留 1.5 倍的餘(yu) 量,因為(wei) 係統中的耗電不是平穩的,需要知道輸出電流的峰值,輸出電流的大小會(hui) 直接影響到 LDO 的封裝的選擇。LDO 規格書(shu) 一般標稱的輸出電流,是指其內(nei) 部功率管的最小限流值,並不能認為(wei) 任何輸入輸出電壓下,都可以有輸出同樣電流的能力,因為(wei) LDO 內(nei) 部一般有過熱保護,輸出電流受到 LDO 熱保護的約束。
潤石高精度LDORS3236
4、最小壓差(與(yu) 輸出電流值相關(guan) )
------因為(wei) LDO 之所以能夠穩壓,是靠內(nei) 部的主功率管與(yu) 負載分壓的,老式的 LDO 主功率管是三極管工藝的,最小壓差大約為(wei) 1.5V,也就是說輸入電壓減去輸出電壓小於(yu) 1.5V 時,輸出電壓是無法維持穩壓的。現在的的 LDO 一般采用 CMOS 工藝,最小壓差大大降低,通常為(wei) 數百毫伏,不過仍然需要注意,最小壓差跟此刻輸出的電流是息息相關(guan) 的,因為(wei) 主功率管有導通電阻,電流流過後會(hui) 產(chan) 生壓降,最小壓降與(yu) 主功率管的麵積是相關(guan) 的,也決(jue) 定了 LDO 的成本。一種有效表示最小壓差的方法是,在滿載時最小壓差是多少,然後歸一化為(wei) XmV/mA。
5、輸出電壓精度
------通常以百分比的形式給出輸出電壓精度,給數字芯片或者普通的模擬電路供電,3% 以內(nei) 的精度足矣。做 ADC 的參考源時,需要采用1%精度。需要注意,采用固定電壓輸出的 LDO,其輸出電壓精度較為(wei) 準確,而 ADJ 版本的 LDO,外部的反饋電阻會(hui) 直接影響輸出電壓精度,高要求時需要外部的反饋電阻為(wei) 1% 甚至 0.1% 精度的。
6、靜態電流
------靜態電流是指 LDO 負載不吸取電流時,也就是單從(cong) LDO 的 GND 引腳流走的電流大小。一般小於(yu) 50uA 為(wei) 低功耗 LDO,小於(yu) 5uA為(wei) 超低功耗 LDO。靜態電流會(hui) 影響 LDO 的噪聲,瞬態響應等關(guan) 鍵參數。越低功耗的 LDO,其噪聲越大,PSRR、瞬態響應越差。
早期采用三極管工藝做的 78XX 和 1117 係列 LDO,靜態電流會(hui) 隨著輸出電流的增大而明顯增大,因為(wei) 三極管本身屬於(yu) 一個(ge) 流控器件。現在采用的 CMOS 工藝,主功率管是 PMOS,屬於(yu) 壓控器件,輸出電流增大並不會(hui) 導致主功率管控製端電流的增大。不過 LDO 內(nei) 部的許多恒流源,誤差放大器帶寬的切換,還有一些保護電路,會(hui) 隨著輸入電壓的高低,吸取的電流會(hui) 變化,導致 LDO 的靜態電流會(hui) 隨著輸出電流或者輸入電壓而發生變化。
上圖是潤石RS3236 的靜態電流,可以看到隨著輸出電流從(cong) 0mA增加到100mA過程中,靜態電流在增加,此時誤差放大器的帶寬也在增加。
上圖是潤石 RS3002 的靜態電流,可以看到隨著輸出電流從(cong) 0mA增加到150mA過程中,靜態電流僅(jin) 輕微增加,因為(wei) RS3002 是超低功耗LDO,誤差放大器的帶寬不能設計的很寬。
7、PSRR (電源抑製比)
------電源抑製比是指 LDO 輸入端有交流紋波幹擾時,經過 LDO 後,輸出端還殘存多少,一般用 dB 值來表示。電源抑製比是頻率的函數,也就是輸入幹擾頻率越高,電源抑製比越低,其一般跟 LDO 內(nei) 部的誤差放大器的開環增益,帶寬有很大關(guan) 係。在高清攝像頭模組,高清晰音頻,微弱信號檢測等應用,對電源抑製比的參數比較關(guan) 注。
LDO 的 PSRR 曲線可以分為(wei) 三段,低頻段主要受內(nei) 部基準電壓源的影響,中頻段主要受內(nei) 部誤差放大器的開環增益曲線影響,在高頻段,PSRR 基本上與(yu) LDO 內(nei) 部主要的器件無關(guan) 了,主要是輸出濾波電容,輸出端的引線電感,還有 LDO 內(nei) 部的等效輸出阻抗在相互作用而表現出具有某個(ge) 頻率點諧振的狀態。輸出電流越大,LDO 的 PSRR 越差。
潤石RS3005 實測的PSRR 曲線-63dB@1kHz
8、積分噪聲(10Hz-100kHz)
------與(yu) 運放一樣,LDO 內(nei) 部存在 1/f 噪聲和白噪聲,由於(yu) LDO 內(nei) 部誤差放大器的帶寬通常小於(yu) 100kHz,因此業(ye) 內(nei) 對 LDO 的噪聲描述都是從(cong) 10Hz-100kHz 的頻率。靜態電流越大,LDO 的噪聲越低,LDO 的噪聲主要由兩(liang) 部分構成,內(nei) 部的基準源和誤差放大器。
所以很多低噪聲的 LDO,第 4 pin 接一個(ge) 電容,用於(yu) 降低內(nei) 部基準源的噪聲。一般來說,LDO 空載時,內(nei) 部誤差放大器的帶寬很小,此時輸出噪聲較低。有負載接入時,隨著負載電流的增大,內(nei) 部誤差放大器的帶寬會(hui) 增大,輸出噪聲會(hui) 增大許多。
第 4 pin BP 引腳無對地濾波電容
第 4 pin BP 引腳有 10nF 對地濾波電容
9、瞬態響應
------瞬態響應是指負載從(cong) 一個(ge) 電流跳到另一個(ge) 電流時,LDO 輸出電壓瞬間變化的幅度,因為(wei) LDO 內(nei) 部本質上是一個(ge) 負反饋係統,對於(yu) 輸出的突然擾動,必然存在一個(ge) 響應的時間,LDO 的靜態電流越大,內(nei) 部負反饋的環路帶寬可以做的寬一點,則瞬態響應就會(hui) 更好,輸出電壓的波動更小,因為(wei) 可以更快的響應輸出的變化。
加大輸出濾波電容會(hui) 改善 LDO 的瞬態響應,因為(wei) 更大的輸出電容可以瞬間提供充足的電荷給負載吸取,輸出電壓因此跌落更少。對於(yu) 負載電流快速變化的負載來說,LDO 的瞬態響應是一個(ge) 非常關(guan) 鍵的參數,許多 CPU 的核電壓,音視頻編解碼芯片,都屬於(yu) 負載電流快速變化的負載,對紋波又要求苛刻,因此需要超快響應速度的 LDO。
超快瞬態響應 LDO,輸出電流以 25kHz 頻率從(cong) 50mA 跳到 150mA,輸出電壓波動不超過 10mV
RS3005 實測瞬態響應,從(cong) 10mA 跳到 50mA,頻率 1kHz,輸出電壓波動 17mV
LDO的結構
LDO的結構主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡和保護電路等。基本工作原理是這樣的:係統加電,如果使能腳處於(yu) 高電平時,電路開始啟動,恒流源電路給整個(ge) 電路提供偏置,基準源電壓快速建立,輸出隨著輸入不斷上升,當輸出即將達到規定值時,由反饋網絡得到的輸出反饋電壓也接近於(yu) 基準電壓值,此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大,再經調整管放大到輸出,從(cong) 而形成負反饋,保證了輸出電壓穩定在規定值上,同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化,這個(ge) 閉環回路將使輸出電壓保持不變,即:
Vout=(R1+R2)/R2 ×Vref