前言

這篇介紹低壓差線性穩(wěn)壓電源，電源的重要就不用多說(shuō)了，很多時(shí)候電源設(shè)計(jì)的好，可以直接將這套系統(tǒng)參數(shù)提升幾個(gè)量級(jí)。我做的項(xiàng)目里邊，由于電源改進(jìn)得當(dāng)，直接將整個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果提升了一個(gè)量級(jí)。這里先詳細(xì)介紹低壓差線性穩(wěn)壓電源，因?yàn)槲易龅捻?xiàng)目精度要求比較高，所以用的都是線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源我后面也會(huì)介紹。

一、低壓差線性穩(wěn)壓電源是什么?

首先這是一種直流轉(zhuǎn)化為直流的器件。低壓差，這是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器可能需要輸入電壓比輸出電壓高2～3V，否則輸出的電壓就不是我們想要的目標(biāo)電壓，參數(shù)會(huì)變差。而LDO則只需要200～300mV就行，低的電壓差，就意味著電源少的發(fā)熱，就意味著電源轉(zhuǎn)化效率的提升。

線性說(shuō)的是指器件的工作狀態(tài)，器件內(nèi)部的模塊工作在放大區(qū)，放大狀態(tài)呈現(xiàn)線性關(guān)系。它只能降壓，不能升壓，消耗的能量大部分通過(guò)熱量耗散掉。

二、LDO工作原理

LDO內(nèi)部電路一般包括：基準(zhǔn)電壓、分壓取樣電路、誤差放大電路、調(diào)整電路四個(gè)模塊。如圖1所示，當(dāng)輸出電壓由于負(fù)載的變化而導(dǎo)致電壓變小時(shí)，采樣電路通過(guò)取樣電路，誤差放大器(運(yùn)算放大器就可以實(shí)現(xiàn))負(fù)向端測(cè)得VF變小，而誤差放大器的正向端測(cè)得基準(zhǔn)電壓源不變。誤差放大器檢測(cè)到兩者之間的電壓差，輸出就一個(gè)正向差值電壓，就會(huì)使流過(guò)三極管的電流增大，從而使負(fù)載端的電壓升高，達(dá)到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。這是最基礎(chǔ)的模型，最理想的情況。但實(shí)際做好一款穩(wěn)壓芯片還是要考慮很多東西的，下面慢慢說(shuō)到。

圖1　LDO內(nèi)部電路

基準(zhǔn)電壓源是整個(gè)電路核心部分，它給LDO芯片輸出電壓是否正確提供了一個(gè)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電壓源可以用穩(wěn)壓管做(參數(shù)要選擇合適，加限流電阻，防止燒管子)。但這種的基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)定，受溫度影響很大，現(xiàn)在基本都是用帶隙基準(zhǔn)電壓源作為L(zhǎng)DO芯片的電壓標(biāo)準(zhǔn)，它能帶來(lái)更好的參數(shù)。帶隙基準(zhǔn)電壓源現(xiàn)在很多芯片都在用這個(gè)東西，看名字感覺很復(fù)雜，但其實(shí)原理很簡(jiǎn)單。它是利用具有正溫度系數(shù)的電壓產(chǎn)生器和具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓Vbe，乘以合適的系數(shù)，使溫度對(duì)它們整體的影響相互補(bǔ)償，就可以做到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源了。當(dāng)它們的總電壓等于硅管的能帶隙電壓1.22V(名字的由來(lái))時(shí)，電路就會(huì)呈現(xiàn)零溫度系數(shù)。這種溫度補(bǔ)償?shù)乃枷牒苤匾芏嚯娐范伎梢越梃b。

1.NPN穩(wěn)壓器

我們又可以按調(diào)整管的不同將穩(wěn)壓芯片分為NPN穩(wěn)壓器，LDO和準(zhǔn)LDO芯片。NPN穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看到，內(nèi)部是通過(guò)一個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)NPN達(dá)林頓管(增益大，微弱的電流就可以驅(qū)動(dòng))，輸入和輸出之間的壓差至少為1.5V~2.5V，這個(gè)壓差也是可以算出來(lái)：Vdrop=2Vbe+Vsat。Vsat為PNP的CE導(dǎo)通壓降。壓差大的話就會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率不會(huì)高，有很多能量都是以熱量的方式耗散掉，對(duì)于追求長(zhǎng)續(xù)航，低功耗的移動(dòng)端設(shè)備，這是無(wú)法忍受的。

圖2 NPN穩(wěn)壓器

2.LDO穩(wěn)壓器

LDO穩(wěn)壓器中，導(dǎo)通管只是一個(gè)PNP管，如圖3所示。這樣的話就會(huì)帶來(lái)很低的導(dǎo)通壓降，帶來(lái)很小的能量損耗，滿載的跌落電壓(Dropout Voltage)的典型值小于500mV，輕載時(shí)的壓降僅有10~20mV。LDO的壓差為：Vdrop=Vsat(LDO穩(wěn)壓器)。

圖3 LDO穩(wěn)壓器

3.準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器

準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器就是介于NPN穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器而得名，導(dǎo)通管是由單個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)NPN管，如圖4所示。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器之間：Vdrop=Vbe+Vsat(準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器)。

圖4 準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器

單從跌落電壓來(lái)看，LDO穩(wěn)壓器是最優(yōu)選擇，但衡量一款穩(wěn)壓芯片是否好用，不止從這一個(gè)角度來(lái)看，還要考慮接地電流(影響電壓轉(zhuǎn)化效率)，環(huán)路控制是否穩(wěn)定(對(duì)于高精度的電路這點(diǎn)至關(guān)重要)，外圍電路(目的就是為了環(huán)路穩(wěn)定)的搭建復(fù)雜程度等都是衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

接地電流受調(diào)整管的增益影響，負(fù)載電流一定時(shí)，調(diào)整管的增益越大，接地電流就越小。NPN穩(wěn)壓器的調(diào)整管為達(dá)林頓管，增益極高，所以它只需很小的電流就可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流，接地電流就會(huì)很小。LDO的接地電流就會(huì)很高，準(zhǔn)LDO的接地電流介于兩者之間。

除此之外呢，NPN穩(wěn)壓器最大的好處就是無(wú)條件的穩(wěn)定，外圍電路不需要額外的電容。而LDO在輸出端最少需要一個(gè)外部電容以減少回路帶寬及提供一些正相位轉(zhuǎn)移補(bǔ)償。通過(guò)引入電容加入極點(diǎn)，而電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)則加入了零點(diǎn)，只有引入合適的ESR才能對(duì)整個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性有幫助，所以這就要挑選適合你外圍電容的材質(zhì)和型號(hào)。如果ESR不夠的話，一般還要串聯(lián)電阻，補(bǔ)償環(huán)路零點(diǎn)。

引入電容電阻的目的就是補(bǔ)償反饋回路，讓它的相位翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，反饋為負(fù)，否則就會(huì)引起振蕩(紋波大，輸出電壓不穩(wěn)定)。理想的情況是環(huán)路增益為0dB時(shí)，附加相位大于-135°，距離-180°還有-45°。

一般來(lái)說(shuō)，LDO的輸出電容最好是鉭電容，而且溫度對(duì)鉭電容的ESR影響會(huì)很小。而鋁電解電容的ESR受溫度影響很大，不適合做輸出電容。陶瓷電容也可以作為L(zhǎng)DO的輸出電容，只不過(guò)要注意的是，大容值(>1μF)的陶瓷電容，通常它的ESR很小(<20毫歐)。如果使用陶瓷電容的話，還要串聯(lián)電阻補(bǔ)償ESR，推薦使用X7R或X5R電容(具有良好的溫度穩(wěn)定性和非常低的電壓系數(shù))，挑選時(shí)一定要注意耐壓值，一般電容的耐壓值要比最大電壓大兩到三倍，留出一定的裕量。

4.場(chǎng)效應(yīng)管(FET)作為導(dǎo)通管LDO

FET的導(dǎo)通阻抗更小，這樣的話就可以使電源芯片的跌落電壓更低，同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管(三極管是電流控制器件，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件)的柵極驅(qū)動(dòng)電流極小，這樣會(huì)帶來(lái)極低的接地電流，整體的電源轉(zhuǎn)化效率就會(huì)提升。同時(shí)對(duì)于集成的穩(wěn)壓器而言，在單位面積上制造的場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通阻抗會(huì)比雙極性開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗低。這樣就可以在更小封裝下輸出更大的電流。

三、LDO的參數(shù)

1.裕量電壓

裕量電壓是指LDO滿足其規(guī)格所需的輸入至輸出的電壓差，數(shù)據(jù)手冊(cè)一般將裕量電壓作為指定其他參數(shù)時(shí)所用的條件?？梢岳斫鉃椋阆胍_(dá)到芯片的參數(shù)指標(biāo)，那么你的輸入電壓和輸出電壓之差要大于等于裕量電壓，最好是大于，留有一定的裕量。

2.靜態(tài)電流和接地電流

靜態(tài)電流(IQ)是指當(dāng)外部負(fù)載電流為零時(shí)，只為L(zhǎng)DO的內(nèi)部電路供電所需的電流。它包括帶隙基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過(guò)流過(guò)溫檢測(cè)等的工作電流。IQ=Iin(空載時(shí))。

接地電流(Ignd)是指輸入電流與輸出電流之差，這么看來(lái)，是一定包含靜態(tài)電流的。低的接地電流可以最大程度地提高LDO的效率。

這兩個(gè)參數(shù)要區(qū)分開來(lái)，靜態(tài)電流是這個(gè)器件的固有屬性，當(dāng)它被生產(chǎn)出來(lái)，它的靜態(tài)電流就固定了(不考慮器件的溫漂和老化)，但I(xiàn)gnd是受負(fù)載電流的影響，一般來(lái)說(shuō)，負(fù)載電流增大，接地電流也會(huì)增大。

3.效率

LDO的效率由接地電流和輸入/輸出電壓確定：

若要獲得很高的效率，就必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流，此外還需要最大程度地縮小輸入和輸出之間的電壓差。如果將5V的電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，這樣的LDO的效率不會(huì)超過(guò)66%，但如果是輸入電壓3.6V轉(zhuǎn)3.3V，其效率將增加到最高91.7%。

LDO的功耗為前者為調(diào)整管產(chǎn)生的功耗，后者為接地電流功耗。

4.PSRR(電源抑制比)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，PSRR 衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來(lái)信號(hào)(噪聲和紋波)，使這些干擾信號(hào)不至于破壞電路輸出的性能。PSRR 定義為：PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其中，VEIN 和VEOUTT 分別是輸入端和輸出端出現(xiàn)的外來(lái)信號(hào)。對(duì)于ADC、DAC 和放大器等電路，PSRR 適用于為內(nèi)部電路供電的輸入端。對(duì)于LDO，輸入電源引腳為內(nèi)部電路供電的同時(shí)也為輸出電壓供電。PSRR 具有與直流輸入電壓調(diào)整率相同的關(guān)系，但包括整個(gè)頻譜。

100 kHz 至1 MHz 范圍內(nèi)的電源抑制非常重要，因?yàn)長(zhǎng)DO 經(jīng)常跟高效的開關(guān)電源配合使用來(lái)為敏感的模擬電路供電。而開關(guān)電源的頻率一般在這個(gè)范圍。LDO 的控制環(huán)路往往是確定電源抑制性能的主要因素。同時(shí)大容量、低ESR 的電容也對(duì)電源抑制性能非常有用，特別是在頻率超過(guò)控制環(huán)路增益帶寬的情況下。

同時(shí)輕載時(shí)的PSRR優(yōu)于重載時(shí)的。

5.線路瞬態(tài)響應(yīng)

輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)是指輸入電壓階躍變化時(shí)的輸出電壓變化。它與LDO 控制環(huán)路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和速率有關(guān)。

6.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是指負(fù)載電流階躍變化時(shí)的輸出電壓變化。它與輸出電容值、電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)、LDO 控制環(huán)路的增益帶寬以及負(fù)載電流變化的大小和速率有關(guān)

7.直流負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率衡量LDO 在負(fù)載條件變化時(shí)仍保持額定輸出電壓的能力。負(fù)載調(diào)整率定義：

負(fù)載調(diào)整率 = ?VOUT/?IOUT

8.直流輸入電壓調(diào)整率

輸入電壓調(diào)整率是衡量LDO 在輸入電壓變化時(shí)仍保持規(guī)定輸出電壓的能力。輸入電壓調(diào)整率定義為：

輸入電壓調(diào)整率 = ?VOUT/?VIN.

以及電壓源的輸出精度，輸出噪聲，最大電流，耗散功率等參數(shù)。

8.挑選時(shí)考慮的參數(shù)

1.當(dāng)我們選擇LDO電源芯片的時(shí)候，首先得明確我們目標(biāo)電源是多少，即Vout電壓，最好選擇固定電壓的，不要選擇ADJ型號(hào)(可調(diào)節(jié)芯片)的，為了減少外圍電路帶來(lái)的干擾。

2.確定系統(tǒng)的最大輸出電流Iout，要留出一定的裕量。

3.確定你的壓差(Vin-Vout)是否大于芯片的裕量電壓，這樣才能滿足芯片的參數(shù)要求。

4.確認(rèn)PSRR，在低噪聲的場(chǎng)合，或者上一級(jí)為開關(guān)電源，一定要選高PSRR的LDO，建議在80dB以上。

5.還要考慮芯片的耗散功率，適當(dāng)計(jì)算一下你的系統(tǒng)是否會(huì)超過(guò)這個(gè)值。

6.對(duì)續(xù)航有要求的話還要挑選低的接地電流，低的靜態(tài)電流。

7.還要挑選精度高，直流輸入電壓調(diào)整率低，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)快，輸出噪聲低的芯片，都要考慮。

8.對(duì)于AD芯片或者DA芯片需要的外部基準(zhǔn)電壓芯片，一般也是線性穩(wěn)壓芯片，在畫PCB板時(shí)注意要將功率地和數(shù)字地，模擬地分離。外圍需要電容補(bǔ)償?shù)男酒欢ㄒ煤米x手冊(cè)，ESR不夠的情況，需要串聯(lián)電阻，一定要多實(shí)驗(yàn)幾組不同阻值的電阻。

9.考慮價(jià)格，是否容易買到，有無(wú)可替換產(chǎn)品。

四、總結(jié)

線性穩(wěn)壓電源就說(shuō)到這里了，一款產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是重中之重，設(shè)計(jì)時(shí)型號(hào)一定要好好挑選。畫PCB板時(shí)也要考慮考慮注意的。好了就這些，如果大家看的有什么問題，歡迎提出。覺得不錯(cuò)的可以點(diǎn)個(gè)贊哦，你的鼓勵(lì)就是我更新的最大動(dòng)力。