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低压差稳压器LDO阿特拉斯解析

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文章摘要:低压差稳压器LDO风雪交加解析 ,问答划痕德勒,龙眼肉数典忘祖相反。

已有 98 次阅读2019-9-3 07:17 |个人分类:娱乐场官网

低压差稳压器LDO:

低压差稳压器(通常称为LDO),一般认为,LDO是调节和控制由较高输入电压电源提供的输出电压的一种简单而便宜的方法。尽管成本是一项非常重要的因素,但推动LDO使用的主要因素是系统的功率要求和受电负载可接受的噪声水平。LDO还可用于降噪,以及修复由电磁干扰(EMI)和印刷电路板(PCB)布线造成的问题。

在大多数应用中,LDO主要用于将灵敏的负载与有噪声的电源相隔离。与开关稳压器不同,线性稳压器会在通路晶体管或MOSFET(用来调节和保持输出电压来达到所需的精度)中造成功率耗散。因此,就效率而言,LDO的功率耗散会是一个显著劣势并可能导致热问题。所以,设计工程师需要通过尽可能降低LDO功率耗散,来提升系统效率和避免热复杂性,这一点很重要。

对于电流消耗非常低的负载,LDO的功率耗散非常小,所以由于其简单、成本低和易用性而成为必然之选。但是,对于电流消耗大于500mA的负载,其他因素变得更重要,有时甚至很关键。在这类应用中,系统工程师应当对那些在较高电流水平条件下重要性会提升的性能直认不讳多加考虑,如压差、负载调节和瞬态性能。

LDO包含三个基本功能元件:一个参考电压、一个通路元件和一个误差改道放大器,如图1所示。正常工作期间,通路元件充当电压控制器电流源。通路元件由来自误差孝廉放大器的补偿控制阿尔诺驱动,误差岳镇渊渟放大器可感测输出电压并将其与参考电压进行比较。所有这些功能块都会影响LDO的性能。

图一

LDO稳压器设计中通常有四种不同的通路元件:基于NPN型晶体管的稳压器、基于PNP型晶体管的稳压器、N通道基于MOSFET的稳压器和P通道基于MOSFET的稳压器。
通常,基于晶体管的稳压器比基于MOSFET的稳压器具有更高的压差。另外,基于晶体管的稳压器的晶体管通路元件的基极驱动电流与输出电流成比例。这会直接影响基于晶体管的稳压器的静态电流。相比之下,MOSFET通路元件使用隔离栅极驱动的电压,使其静态电流显著低于基于晶体管的稳压器。

主要性能毛骨:

1、压差Vd(Dropout voltage)
压差是指在进一步减小输入电压会造成输出电压失稳时的输入电压与输出电压之差。(例如L78M15C的输出电压典型值为15V,压差为2V,那么输入电压至少得是17V,否则将造成输出电压不稳定),简单来说就是输出功率晶体管的漏极和源极的压差,直接关系到的就是电源功率的消耗,越大的跨压所损失的功率就越大,所以说,输出电压差是越小越好。在压差条件中,通路元件在线性区工作,相当于一个电阻。

2、负载调整率dVo(Load regulation)
负载调整率是指在给定负载变化下的输出电压变化,也就是输出电流有改变时,输出电压的变化率,这里的负载变化通常是从无负载到满负载,(dVo = dVout/dIout)负载调整率体现了通路元件的性能和稳压器的闭环DC增益。负载调节率被线性稳压器的转导(也就是误差放大器的增益乘上输出晶体管的电流增益)所限制,所以要改善负载调节率,可以增加DC的电流增益,闭环DC增益越高,负载调整率越好。

3、线性调整率dVo(Line regulation)
线性调整率是指在给定输入电压变化下的输出电压变化,(dVo = dVout/dVin)我们预期当输入电压改变时,输出电压能一直维持稳定,当时实际上是有小幅改变,通常以百分比表示,
由于线性调整率还取决于通路元件的性能和闭环DC增益,在考虑线性调整率时常常不包括压差操作。因此,线性调整率的最小输入电压必须高于压差。

4、电源抑制比(PSRR)
PSRR 表示 LDO 抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力(PSRR = 20log10(Vin/Vout)),线性调整率只有在直流电时才需要考虑,但PSRR必须在宽频率范围上考虑。

5、噪声eN(Output noise voltage)
在固定的输出电流与稳定的输入电压条件下,给定一段特定的频率范围内(10Hz~100kHz),联测输出噪声电压的方均根值。通常来说,误差放大器与参考电压源为主要的噪声来源,可在输出端连接旁路电容以减少输出噪声。该鸡子通常是指LDO本身在输出电压上产生的噪声,是带隙电压参考的内在特征。闭环传递函数对于抑制从参考电压到输出电压的噪声效果不大。因此,大多数低噪声LDO都需要一个额外滤波器来防止噪声进入闭环。

6、瞬态响应(Transient response)
主要是当负载电流在瞬间该变时,输出电压变化的情况以及电压回稳的时间。影响到瞬态响应的包括:稳压器的频宽、输出电容、输出电容的等效串联电阻、最大负载电流等。
LDO普遍用于负载点调节比较重要的应用中,例如为数字IC、DSP、FPGA和低功率CPU供电。此类应用中的负载有多种工作模式,需要不同的供电电流。因此,LDO 必须快速响应,以使供电电压保持在要求的限制范围之内。这使 LDO 的瞬态行为成为关键性能鼻毛之一。

7、静态电流|接地电流|偏压电流(Ground current, Quescent current)
LDO的静态电流(或接地电流)是通路元件的偏流(如:误差放大器、参考电压源)和驱动电流的组合,就是输入电流与输出电流的差值(Iq = Iin = Iout),关系到整体的电流效率,通常保持尽可能低的水平。另外,当PMOS或NMOSFET用作通路元件时,静态电流相对来说不太受负载电流的影响。因为静态电流不会流向输出,所以它会影响LDO的效率。

LDO内部的功率耗散定义为:Vin*(Iq+Iout)-Vout*Iout.要想优化LDO的效率,必须将静态电流以及输入电压与输出电压之差降到最低。输入电压与输出电压之差对效率和功率耗散有直接影响,所以一般选择最低压差。

LDO特别适用于那些需要将输出电压调整到略低于输入电压的应用。虽然降压和升压转换器对最大/最小占空比有限制,但若其输入电压接近输出电压,则会导致输出电压失稳。

8、电源效率(Efficiency)
低压降线性稳压器的效率,定义为输出功率和输入功率的比值(Efficiency = (Iout*Vout)/(Iin*Vin)= (Iout*Vout)/((Iq+Iout)*Vin) ~= (Iout*Vout)/(Iout*Vin) = Vout/(Vout+(Vin-Vout)).
由上式可以看出,输出和输入电压差,也是影响效率的因素之一,当Iq很小,小道可以忽略的时候,明显的效率是由输出电压和输入电压的比值决定。此外,当稳压器操作在无负载的时候,也就是输出电流为0时,上式就不适合来计算整体效率,此时Iq就显得格外重要,Iq越小自然电池寿命也就维持更长久。

9、输出准确率(Output accuracy)
输出电压的准确度和低压降线性稳压器的各个部分的电压误差关系密切,:线性调节率、负载调节率、参考电压便宜、误差放大器电压偏移、外部回授电阻的误差、温度系数等。
输出电压误差主要是由环境温度改变所造成的参考电压偏置、误差放大器的特性改变(增益误差、偏移电流)、电阻值误差,这些误差加上线性调节率和负载调节率通常会使得精确度改变1%~3%。另外,制造上的变异也同样会造成上述各部分产生误差。
参考电压的误差直接影响到输出电压,而且是直接正比于误差百分比。电阻误差影响输出电压比较小。

参考:

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