【《线性稳压器LDO线性稳压器的原理及类型概述》3200字】

第iv页共31页线性稳压器LDO线性稳压器的原理及类型概述线性稳压器结构简单、芯片面积小、静态电流小等特点。这一章主要介绍LDO的基本构成、基本原理和本设计中所需的一些功能模块的选取与设计。.1LDO的基本原理与构成LDO线性稳压器基本原理是通过反馈网络和误差放大器调整输出电压，使得在一定负载和输入电压范围内条件下，能够保证输出电压稳定不变，且具有静态电流比较小的优点。下图1.1是线性稳压器的经典结构。图1.1LDO的结构框图对于一个典型的LDO主要是包含所画的几个部分基准带隙电压、误差放大器、功率调整管以及分压网络。对于芯片不同的应用场景可以添加不同的保护电路。例如，对于工作在高温环境下的电路可以添加过温保护电路。带隙基准电压是为误差放大器提供基准电压，并与反馈电压共同输入到误差放大器中的两个端口，从而调整功率调整管栅极上的电压。带隙基准具有低噪声、低功耗等特点，因此广泛应用于线性稳压器中。误差放大器是LDO设计中非常重要的一个地方，它的性能影响着整个电源管理芯片的性能，通过误差放大器的电压变化调整源漏之间的电流，通过电流的改变调节反馈电压的大小。功率调整管是通过调整晶体管中流过的电流，改变分压网络中的反馈电阻，从而保证输出电压稳定，是对输出电压的调整的关键。调整管的占据的面积比较大，是整个芯片中占据面积最大的器件，调整管的选择会影响到到环路的稳定性和可靠性。电阻分压网络是通过电阻串联分压的原理，按比例分压将得到的反馈电压作用于误差放大器，通过改变电阻的比例可以改变输出电压的值。电阻的大小影响着电路的静态电流，因此一般将分压电阻取大一点，但也不能太大否则将占用太多的芯片面积，因此对于电阻的选取需要折中考虑。所以，对于一个LDO来说，误差放大器有两个端口分别接入带隙电压源产生的基准电压和反馈网络产生的反馈电压。其中由带隙电压产生的电压不随着外加信号的改变而改变，而反馈网络可能会产生着变化，所以二者的差值会不断的变化。从而调整功率管中流过的电流，进而保持输出电压稳定不变。对于输出电压的大小可以通过调整反馈网络的电阻的比例从而进行调整。如图1.2就是一个典型的电路结构。图1.2典型LDO电路结构对于电路的不同应用场景，可以添加不同的保护电路。例如，在高温工作下的电路可以添加过温保护电路。在大电流的电路中，可以添加限流电路，从而可以保护电路。下面对于上图所提到的典型电路进行一定实际情况的分析：当输入电压变化其他条件不变时：（1）当输入电压增大时即晶体管源漏两端的电压将增大，使得晶体管源漏之间的电流将增大，输出电压也增大，反馈网络所分的反馈电压也将增大。由于基准电压源的电压一直保持不变，所以加到误差放大器的两端电压将增大，误差放大器输出电压增大即功率调整管的栅极电压增大，由于栅极电压的增大，使得源漏之间的电流变小，输出电压变小，电压最后趋于一个稳定值。（2）当输入电压减小即晶体管源漏之间的电压减小，使得功率管的电流变小，输出电压变小，分压网络所分得电压变小，作用在误差放大器两端电压的差值变小，从而使得其输出电压减小加在功率管栅极上的电压也就变小，进而调整功率管上流过的电流，使得电流变大，分压网络所分的电压也增大，最后输出电压趋于稳定输出。当负载变化而其他条件不变时：（1）当负载变大时，输出的电压变大，流过功率管的电流保持不变，电阻分压网络所分的电压也变大从加到误差放大器两端的电压差值也将变大，使得晶体管的栅极电压增大，从而减小了晶体管源漏之间流过的电流，输出电压逐渐趋于稳定的一个输出。（2）当负载电阻变小的时候，输出电压减小，通过电阻分压网络使得反馈的到的电压变小，进而误差放大器的两端的电压差值变小，输出电压变小，晶体管电流变大，最后使得输出电压趋于稳定不变。当负载或者输入电压同时变化的时候，LDO线性稳压器依然可以达到稳压的效果，能够保持输出电压稳定。当误差放大器的增益比较大时，通过电路结构可以得到输出的电压为：QUOTEVOUT=VREF∗(1+其中R1和R2为电阻分压网络中的的电阻，所以通过电阻分压网络和基准电压可以调整输出电压的大小。1.2LDO的基本类型现在主要的的LDO线性稳压器主要是PMOS、NMOS两种晶体管做功率调整管。下面主要介绍这两种晶体管的LDO。图1.3pmos和nmos的结构示意图如图1.3是nmos和pmos的结构示意图，下面将分别介绍这两种线性稳压器。首先，如图1.3（a）使用pmos作为功率调整管，误差放大器上的电压加在pmos的栅极上，通过反馈回路控制源漏之间的电阻进而调节源漏之间的电流。当反馈回路反馈的电压增大时，误差放大器输出电压增大，从而导致pmos管的导通电阻增大，进而减小电流，从而使得输出电压减小，反馈电压减小，最后输出电压趋于稳定。同理，如果反馈回路中的电压减小，误差放大器的输出电压减小，从而pmos管的导通电阻变小，从而沟道的电流变大，输出电压相较之前变大，反馈电压增大，最后输出电压趋于稳定。如图（b）使用nmos管做功率调整管，原理与pmos管类似。当反馈电压增大时，误差放大器的输出电压减小，nmos管的沟道电阻增大，沟道电流减小，反馈电压减小，输出电压减小，进而输出电压趋于稳定。同理，当反馈电压减小时，经过反馈回路后，输出电压增大，反馈电压增大，最后输出电压趋于稳定。Nmos和Pmos管作为功率调整管的差别主要是：pmos管在较高的电压能够取得较小的压降，nmos在较高的电压下它的压降比较大。因此在本设计中采取pmos管作为LDO线性稳压器的功率调整管。同时，pmos管的压差电压大小为管子本身的饱和压降，而对于nmos管的压差电压大小为管子的本身的饱和压降加上nmos管自己本身的开启电压。但nmos管的其他性能都比同等条件下的pmos管的性能好，这里主要是指电源抑制比。1.3LDO的性能指标LDO的性能指标主要包括：压差电压的大小、静态电流、效率、输入电压和输出电压等。下面分别对以上所说的做简单介绍。1.3.1LDO的压差电压压差电压电压的大小也就是漏失电压，就是在一定的负载电流条件下，输入电压和输出电压的差值。LDO的压差决定了它的工作范围，低压差的线性稳压器就适合工作于较低的电压下。当负载和输出的电压是保持一定值的时候，这时增大输入电压或者减小输出电压，使得输出电压不在保持稳定时即降到原值的98%时，此时用输入电压减去输出电压，就可以得到这款线性稳压器的压差大小。若线性稳压器输入的电压继续减小，将不再保持稳压状态。减小压差可以很好的减小电流的损耗，从而提高LDO的效率。下图就是线性稳压器的输入输出的压差特性曲线。图1.4输入输出的压差特性曲线1.3.2LDO的静态电流静态电流就是输入电路减去输出电流，在没有负载的时候，静态电流将会带来静态的功耗，降低了设备的使用时间，降低了电池的使用寿命[10]。所以在设备越来越小的条件下，降低线性稳压器的静态电流是非常重要的。但是一味地降低电流也会影响整体的工作性能,所以必须综合考量。图1.5静态电流示意图静态电流的大小与电路的架构，器件的选取，外界环境温度的选取都有关。当采用双极型的晶体管做线性稳压器的功率调整管时，双极性晶体管是电流控制电流的器件，当输入的电流变大时，也就是集电极的电流变大时，基极电流也会相应的增大，这样静态电流相较之前会变大，从而减小了设备的工作时间。对于场效应晶体管，其是电压控制电流的器件，当栅极电压小于器件的开启电压，那么沟道的电阻将是无穷大，静态电流也近似为0。所以整个静态损耗为其他模块的静态消耗电流的总和。1.3.3LDO的效率线性稳压器的效率就是输出的功率与电源输入的功率之比。如果电路的效率比较高就意味着电路的损耗比较小，为外电路提供的功率比较高。所以，再输入电流和电压固定的条件下，要提高电路的效率就必须减小电路的静态损耗，让输入的功率尽可能