LDO低压差线性稳压器-知识总结

LDO 一 LDO 的基本介绍 LDO 是 low dropout regulator 意为低压差线性稳压器 是相对于传统的 线性稳压器来说的 传统的线性稳压器 如 78xx 系列的芯片都要求输入电压要 比输出电压高出 2v 3V 以上 否则就不能正常工作 但是在一些情况下 这样 的条件显然是太苛刻了 如 5v 转 3 3v 输入与输出的压差只有 1 7v 显然是不 满足条件的 针对这种情况 才有了 LDO 类的电源转换芯片 LDO 是一种线性稳压器 线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET 从应用的输入电压中减去超额的电压 产生经过调节的输出电压 所谓压降电压 是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV 之内所需的输入电压与输出电压差 额的最小值 正输出电压的 LDO 低压降 稳压器 通常使用功率晶体管 也称为传递 设备 作为 PNP 这种晶体管允许饱和 所以稳压器可以有一个非常低的压降电压 通常为 200mV 左右 与之相比 使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降 为 2V 左右 负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备 其运行模式与正输出LDO 的 PNP 设备类似 更新的发展使用 MOS 功率晶体管 它能够提供最低的压降电压 使用 功率 MOS 通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的 如果负 载较小 这种方式产生的压降只有几十毫伏 DC DC 的意思是直流变 到 直流 不同直流电源值的转换 只要符合这 个定义都可以叫 DCDC 转换器 包括 LDO 但是一般的说法是把直流变 到 直流由开关方式实现的 器件叫 DCDC LDO 是低压降的意思 这有一段说明 低压降 LDO 线性稳压器的成 本低 噪音低 静态电流小 这些是它的突出优点 它需要的外接元件也很 少 通常只需要一两个旁路电容 新的 LDO 线性稳压器可达到以下指标 输 出噪声 30 V PSRR 为 60dB 静态电流 6 A TI 的 TPS78001 达到 Iq 0 5uA 电压降只有 100mV TI 量产了号称 0 1mV 的 LDO LDO 线性 稳压器的性能之所以能够达到这个水平 主要原因在于其中的调整管是用 P 沟道 MOSFET 而普通的线性稳压器是使用 PNP 晶体管 P 沟道 MOSFET 是 电压驱动的 不需要电流 所以大大降低了器件本身消耗的电流 另一方面 采用 PNP 晶体管的电路中 为了防止 PNP 晶体管进入饱和状态而降低输出能 力 输入和输出之间的电压降不可以太低 而P 沟道 MOSFET 上的电压降 大致等于输出电流与导通电阻的乘积 由于MOSFET 的导通电阻很小 因而 它上面的电压降非常低 如果输入电压和输出电压很接近 最好是选用LDO 稳压器 可达到很 高的效率 所以 在把锂离子电池电压转换为3V 输出电压的应用中大多选 用 LDO 稳压器 虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用 LDO 稳压器仍 然能够保证电池的工作时间较长 同时噪音较低 如果输入电压和输出电压不是很接近 就要考虑用开关型的DCDC 了 因为从上面的原理可以知道 LDO 的输入电流基本上是等于输出电流的 如 果压降太大 耗在 LDO 上能量太大 效率不高 DC DC 转换器包括升压 降压 升 降压和反相等电路 DC DC 转换器 的优点是效率高 可以输出大 电流 静态电流小 随著集成度的提高 许多新型DC DC 转换器仅需要几 只外接电感器和滤波电容器 但是 这类电源控制器的输出脉动和开关噪音 较大 成本相对较高 近几年来 随著半导体技术的发展 表面贴装的电感器 电容器 以及高 集成度的电源控制芯片的成本不断降低 体积越来越小 由于出现了导通电 阻很小的 MOSFET 可以输出很大功率 因而不需要外部的大功率FET 例如 对于 3V 的输入电压 利用芯片上的 NFET 可以得到 5V 2A 的输出 其次 对于中小功率的应用 可以使用成本低小型封装 另外 如果开关频率提高 到 1MHz 还能够降低成本 可以使用尺寸较小的电感器和电容器 有些新器 件还增加许多新功能 如软启动 限流 PFM 或者 PWM 方式选择等 总的来说 升压是一定要选 DCDC 的 降压 是选择 DCDC 还是 LDO 要 在成本 效率 噪声和性能上比较 二 LDO 原理分析 根据调整管的工作状态 我们常把稳压电源分成两类 线性稳压电源和开关稳压电源 此外 还有一种使用稳压管的小电源 这里说的线性稳压电源 是指调整管工作在线性状 态下的直流稳压电源 而在开关电源中则不一样 开关管是工作在开 关两种状态下的 简单介绍下分类 NPN 稳压管 内部用一个 PNP 管控制达林顿调整管 LDO 稳压管 调整管是一个 PNP 管 Squasi LDO 调整管是由一个 PNP 管控制一个 NPN 管 LDO low drop output 低压差线性稳压器 LDO 的工作原理是通过反馈调整 MOSFET 的 Vsd 压降以使输出电压不变 输出电压纹 波小 电流也较小 用于 RF 模块或音频模块等对电压要求高的电路 特点是成本低噪音 小 缺点是效率低 输出电流小 只能用在降压的场合 必须要注意 为了达到稳定的回 路就必须使用负反馈 下面这是 LDO S 1167 Series 的基本原理图 该电路主要是由串联调整管 取样电阻 比较放大器组成 取样电压加在比较放大器 的同相输入端 与加在反相输入端的基准电压 Uref 相比较 两者的差值经放大器 A 放大 后 控制串联调整管的压降 从而稳定输出电压 当输出电压 Uout 降低时 基准电压与取 样电压的差值增加 比较放大器输出的驱动电流增加 串联调整管压降减小 从而使输出 电压升高 相反 若输出电压 Uout 超过所需要的设定值 比较放大器输出的前驱动电流减 小 从而使输出电压降低 供电过程中 输出电压校正连续进行 调整时间只受比较放大 器和串联调整管回路反应速度的限制 环路内的负反馈总是强制比较放大器调节输入两端 的电压使其相等 稳压管的另一个重要的指标就是稳定性 在我们的设计线路中常常看到在其输出端会 有大大小小的电容 其作用是什么呢 下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性 前面提到过三中稳压管 1 NPN 稳压管 例如 LM340 LM317 比较老的 3 端稳压管 2 LDO 稳压管 例如 S 1167 Series 3 准 LDO 稳压器 三种稳压器的最大区别在于压降和接地引脚电流 很明显 NPN 和准 LDO 的稳压管在调整 管上稍微复杂点 所以压降也大些 达林管的增益很高 所以只需要很小的电流就可以驱 动 准 LDO 也是这样 IGND 很小 PNP 管的放大系数一般是 15 20 LDO 的 IGND 电流 能达到负载电流的 7 NPN 稳压管的最大好处就是无条件的稳定 大多数不需要加外接 电容 LDO 则需要在输出端加上电容 以减少回路带宽及提供些正的相位补偿 所有的稳压器都使用负反馈回路以保持输出电压的稳定 但反馈信号在通过回路后都 有一定的增益和相位变化 如果反馈信号相位有 180 度变化 负反馈就会变成正反馈 造 成输出不稳定 因此反馈信号经过整个回路的相位偏移 需要有至少 20 度的相位裕度 这 样才能保证电路的稳定 相位裕度定义为回路总的相位偏移与 180 度的差 环路的不稳定来自于相位移量 我们可以在反馈回路中通过变压器注入正弦小信号 如下图所示 Loop Gain Va Vb 从 Vb 传入交流小信号 同过回路产生相移到达 Va 这样可 以计算回路增益 相位的偏移量 此处以 LDO 分析 可以通过网络分析仪来测量回路增益 它通过向网络回路注入低电平的正弦波 然后从 直流信号扫描到使增益下降到 0dB 的频率来测量增益的响应 下面以一幅波特图具体分析反馈回路的增益及相位变化情况 概念 极点 增益曲线出现 20dB 10 倍频变化的点 零点 在增益与相位上的效果与极点相反 极点相移 arctan f fp 零点相移 arctan f fz 假设直流增益为 80dB 10 100Hz 处的增益 100 到 1KHz 增益减少了 20dB 10K 100KHz 增益减少 20dB 100K 1MHz 增益减少 40dB 斜率有 20dB 10 倍频的变化 图中 可以看出有 3 个 POLE 一个 ZERO 1MHz 处的增益是 0dB 说明 1MHz 的小信号在此截 止 此回路的带宽就是 1MHz 从这个波特图能看出这个系统稳定么 前面说了系统是否稳定主要看相位移量 而我 们只要看在 0dB 时的相移就可以了 图中是 1MHz 上图中有 3 个极点和 1 个零点 前两个极点产生 180 度相移 零点产生 90 度相移 最后一个极点在 40dB 到 0dB 处 斜率为 40dB 10 倍频 根据极点相移公式 arctan f fp arctan 10 1 47 换算成角度为 84 3 度 所以总的相移为 180 90 84 3 174 2 度 前面说 到相位裕度等于 180 174 2 5 8 20 所以此回路不稳定 看似上面的分析比较复杂 其实是自动控制理论里面的传输函数和根迹图的概念 简单 的说 一个 线形 系统是否稳定 不会产生振荡 取决于它的传输函数的极点分布 极点的实部 必须小于零 而且极点实部负数的绝对值越大 系统越稳定 我们就可以通过增加极点或是零 点来调节相位裕度 从而使系统达到稳定 调节 LDO 系统的稳定性 最常见的补偿方法是在系统中插入零点来取消相移和极点 由于 LDO 已经就正常运行要求了一个输出电容器 因此使用输出电容器的 ESR 通常就是 最简单也最廉价的生成零点的方法 等效串联电阻 ESR 是每个电容都具有的几个基本 特性 可以看为电阻和电容的串联等效电路 输出电容的 ESR 在回路增益中产生一个零点 用来减少过量的负相移 增加系统的带宽 使更稳定 零点处的频值 Fzero 1 2 xCoutxESR 假设一个 LDO 系统在 0dB 时的截止频率是 30kHz 在其输出端增加输出电容为 10uF 输 出电容的 ESR 1ohm 则在 16kHz 处产生零点 一般的 LDO 会由负载阻抗 输出容抗等自身产生一些极点 图中有 3 个极点 具体 由来就不做分析 可由网络分析仪扫描出 但有 1 个 Ppwr 在 0dB 之后的频段 也就是带 宽之外 可以不考虑 从上面两幅波特图的对比看出 第二张图增益曲线 当增加了输出 电容后 从 80dB 到 0dB 变得更平缓些 系统的带宽大概从 40KHz 增加到 100KHz 左右 相位裕度也相应的增加 那么系统对 ESR 又有什么要求呢 比如此例中设 ESR 20ohm 则零点频率会降低到 Fzero 800Hz 使系统的带宽增加到 2MHz 从整个的波特图我们发现在 100K 到 2MHz 之 间又多了一个极点 Ppwr 这就意味着系统又有了 90 度的相移 零点就失去了其意义 那 么 ESR 是不是越小越好呢 设 ESR 50mohm 零点频率会降到 320kHz 不用看就知道 系统地稳定性基本没改变 因为系统的带宽就是 40KHz 增加的零点频率为 320KHz 已经 超出了带宽 综上所述 在输出端加入输出电容是为了补偿 LDO 稳压器的 所以选择的电容 ESR 要求要严格 首先要符合系统的回路频率特性 同时也要有较好的温度特性 不能随温度 变化而变化过大 频率响应也是重要的指标 这点钽电容是比较好的选择 ESR 是指在 一定温度下的某个频率下的最大阻值 厂商一般定义为 25 摄氏度 100KHz 三 LDO 的相关参数 1 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 2 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 3 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 4 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 该电流有时也称为静态电流 但是采用 PNP 晶体管作串联调整管元件时 这种习惯叫法是 不正确的 通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小 5 负载调整率 Load Regulation 负载调整率可以通过图 2 1 和式 2 1 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 图 2 2 Output Voltage Input Voltage 其中 Vload 负载调整率 Imax LDO 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 6 线性调整率 Line Regulation 线性调整率可以通过图 2 2 和式 2 2 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 Vline LDO 线性调整率 Vo LDO 名义输出电压 Vmax LDO 最大输入电压 V LDO 输入 Vo 到 Vmax 输出电压最大值和最小值之差 7 电源抑制比 PSSR LDO 的输入源往往许多干扰信号