LDO电源设计原理与应用.ppt

1 Introduction and Layout Principle of Linear Power Supply Bob Jiang Nov. 2009 2 Introduction of Linear Power Supply n线性电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源 。一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电 路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括 一些例如保护电路，启动电路等部分. 3 Fundamental Principle of Linear Power Supply n调整原理如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负 载电流减小而升高时，串接晶体管（设为NPN型）基极电 压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从而保 持采样电压等于参考电压。这种负反馈控制在输出电压下 降时也同样起作用。此时误差放大器输出会使串接晶体管 基极电压上升，集电极电阻减小，直流输出电压升高，使 采样电压等于参考电压。实质上，输入电压的任何变化都 会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压保持不变， 其恒定程度与反馈放大器的开环增益相关。晶体管始终工 作在线性状态，电路损耗为各元件直流损耗。 n串接NPN型晶体管的线性调整器，若基极驱动由Vin经Rb 提供，则Vin与Vout之间必须存在最小压差以保证向内的 基极驱动电流。 4 Introduction of Linear Power Supply n线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳 压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度 快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热 量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。 n线性电源的主要缺点是串接晶体管存在过大功耗，所有的 负载电流都必须通过串接晶体管，其功耗为（Vin Vo) Io 。大多数情况下，串接NPN型晶体管的最小压差（Vin Vo) 为2.5V。在效率计算可近似为Vo/Vin*100%的情况下( 忽略 LDO 静态电流 )，电路效率太低！ 5 Introduction of LDO n为解决压差过大（功耗过大）而不适合用在低电压转换的 问题，出现了LDO（Low Dropout Linear Regulator ）. n低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺 点。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例 如，如果一个LDO输入电源是3.6V，在电流为200mA时输 出1.8V电压，那么转换效率仅为50%。虽然就较大的输入 与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较 小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V， 效率就变成了80%。 n在LDO中，产生压差的主要原因是在调整元件中有一个P 沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等效为一个电 阻，Rds(on), Vdropout = Vin - Vout = Rds(on) x Iout (式A) 6 Introduction of LDO nLDO的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元 件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络，保护电路等。 n基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路 开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立， 输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到 的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电 压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出， 从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电 压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即： Vout=（R1+R2）/R2 * ref V (式B) 7 Main Parameters of LDO n1输出电压(Output Voltage) 输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子 设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性 稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输 出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂 家精密调整的，所以稳压器精度很高。但是其设定的输出 电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求， 但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。 n2最大输出电流(Maximum Output Current) 用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不 相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低 成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所 需的电流值选择适当的稳压器。 8 Main Parameters of LDO n3输入输出电压差(Dropout Voltage) 输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在 保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压 器的性能就越好。比如，5.0V 的低压差线性稳压器，只 要输入5.5V 电压，就能使输出电压稳定在5.0V。 n4接地电流(Ground Pin Current) 接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时，输入电 源提供的稳压器工作电流。在轻载电流时，系统效率是Iq 对系统性能产生的影响之一。基本来说，具有低Iq 的 LDO 只在轻载时效率较高。这是因为负载电流增加时， Iq 只占Iin 总电流的很小一部分。具有较高Iq 的LDO 可以大大提高系统的线路和负载阶跃响应性能。由于Iq 被LDO 用来实现稳压工作，Iq 较高的LDO 对负载需求 或线路电压的突变可作出更快的响应。 9 Main Parameters of LDO n5负载调整率(Load Regulation) 负载调整率可以通过下图和式C 来定义，LDO 的负载调 整率越小，说明LDO 抑制负载干扰的能力越强。 (式A) 式中 Vload负载调整率 ImaxLDO 最大输出电流 Vt输出电流为Imax 时，LDO 的输出电压 Vo输出电流为0.1mA 时，LDO 的输出电压 V负载电流分别为0.1mA 和Imax 时的输出电压之差 10 Main Parameters of LDO n6线性调整率(Line Regulation) 线性调整率可以通过下图和式D 来定义，LDO 的线性调 整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO 的 性能越好。 式D 式中 VlineLDO 线性调整率 VoLDO 名义输出电压 VmaxLDO 最大输入电压 VLDO 输入Vo 到Vmax 输出电压最大值和最小值之差 11 Main Parameters of LDO n7电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio. PSRR) LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR 反映了 LDO 对于这些干扰信号的抑制能力。 PSRR=20 log（vin/vout） LDO输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。导致 LDO 输出噪声的主要来源是基准。为降低基准噪声，用于连接基准 旁路电容。增大旁路电容能够使基准噪声成为产生LDO 输出噪声的 次要因素，有利于减小输出噪声。建议使用陶瓷电容的典型值为470 pF 到 0.01 F 。也可使用此范围以外的电容，但会对输入电源上电 时LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压 上升速率越慢。 n8. 基准电压（Reference Voltage） 基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接 决定了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要 因素。 12 Flows in Application n1、确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。 n2、确定电路的输出电压、负载电流和输入电压（注意输 入电压和负载电流都需要降额80考虑） n3、确定电路的最大、最小输入输出电压差；电路的最 大、最小输入输出电压差应该满足器件要求； n4、单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求； n5、确定电路的电性能指标要求（如静态电流、精度、纹 波、效率等）；器件的指标应该满足电路指标的要求，并 且考虑温度对各种性能指标的影响； n6、确定器件的输出电容以及ESR值，如果器件对输出电 容以及ESR有特殊要求，考虑公司现有器件是否满足要求 ； n7、其他要求（如电路是否需要使能控制端、价格因素等 ）。 13 Application of LDO nLDO的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输入 、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见下图。 Vin和Vout的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的 、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零 到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO有一 个Bypass附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步 降低噪音（参考 7电源抑制比）。 14 Keypoint in Application -Capacitors n电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电 容值、电介质材料类型、物理尺寸、等效串联电阻(ESR) 等这些重要参数都是设计工程师所要考虑的。在LDO使用 电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电容 器无极性和具有低的ESR，电容器的ESR对输出纹波有重 大影响，而ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外 壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R 电介质是最好的 ，但使用成本略高，X5R 电介质较好，性能/价格比适宜 ，而Y5V电介质较差，但成本较低。 15 Keypoint in Application -Capacitors n1、 输入电容 n输入电容的主要作用是对调整器的输入进行滤波，另外输入电容也可 以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡； 所以调整器输入端一般采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤 波作用，一般取22uF左右；较小电容提供消除振荡作用，取值一般为 1uF，实际应用中一般选用0.1uF，位置尽量靠近调整器的输入Pin n输入电容除了考虑容值外，纹波电流额定值也必须考虑，输入电容的 纹波电流应小于器件手册给出的额定值，电路的纹波电流可以用下面 的公式简单计算： nIripplePIVpfC n其中： nIripple：输入电容的纹波电流 nVp：纹波电压的峰峰值 nC：输入电容值 nf：为纹波电压的频率，一般取100KHz n再考虑以上因素的时候还应该注意温度对电容特性的影响，如钽电容 其电容值以及纹波电流额定值都随着温度的升高而降低。 n另外电容都需80的降额，钽电容需要5060的降额。 16 Keypoint in Application -Capacitors n2、 输出电容 n电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及ESR对 电路频率响应的影响是最主要的。由于隧道深度的存在，输出电容以 及ESR选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。因此电容的选择建 议参考器件手册的隧道深度图。 n在选择电容的时候还需要考虑温度对容值以及ESR的影响，应该保证 在整个温度范围内电路都是稳定的。（主要是铝电容的ESR受温度影 响比较大，所以建议在温度变化较大的应用场合下最好不要选择铝电 容作为输出电容） n在使用可调LDO调整器时，有时候我们为达到较好的输出纹波抑制性 能，调整器需要对地增加滤波电容，但是必须注意的是：电路的输出 增加了这个电容，又会增加一个闭环极点（f1/2pi（R1/R2）C C为补偿电容），电路的输出电容必须相应的增加，才能保证电路的 稳定。 n另外一个容易忽视的问题：LDO带有多个负载的时候，每个负载电路 的输入电容都是调整器的输出电容。 17 Oscillation in LDO n1、任何一个电压调整器可以简单等效为误差放大器、驱 动电路（NPN、达林顿管等）、驱动电路输出负载、负载 几个部分。系统的稳定性由开环传递函数决定。LDO一般 采用PNP或者PMOS接成共发射极输出，输出阻抗很大， 输出电容、负载电阻将直接影响开环增益。在开环增益达 到0dB以前，输出电容产生的零点必须补偿掉器件内部的 一个极点，以获得足够的相位欲度，否则可能振荡。这个 零点就由输出电容的容值和ESR决定。 n2、正电压标准调整器（一般采用NMOS或者DMOS）采 用射随输出，输出电容对系统的稳定性影响很小，加上器 件厂家内部添加补偿电容，自激振荡一般不会出现。 18 Keypoint in Application-Power Consumption n低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函 数。下列方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗： nPD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:P= 最恶劣情况下的 实际功耗，VINMAX = VIN 脚上的最大电压，VOUTMIN = 稳压器 输出的最小电压，ILMAX = 最大( 负载) 输出电流。PD 最大允许 功耗(PDMAX) 是最大环境温度(TAMAX), 最大允许结温 (TJMAX) (+125C) 和结点到空气间热阻（JA) 的函数。对于安 装在典型双层FR4 电解铜镀层PCB板上的5引脚SOT-23A封装器件，其 （JA)约为250C/Watt。 nPDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ JA nVINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125C，TAMAX = +55C n实际功耗PD=26.7mW，最大允许功耗: PDMAX= 280mW. n在低压差线性稳压器（LDO）的使用过程中一定要注意合理分配LDO 实际功耗，不要超过他的最大功耗。以影响系统的稳定性。 19 Keypoint in Application - Layout nLDO设计中，布局容易被忽视，其实布局是非常重要的。 n1、 元器件放置 n为了保证调整电路有足够好的瞬态响应特性，LDO调整器的带宽都较 高，这使得LDO容易发生振荡，除外围元件对LDO产生影响外，实际电 路的寄生参数也会对电路的频率响应特性