关于 LDO,读懂这一篇就够了
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在电子设计中,我们经常需要用到不同的直流电压给不同器件供电,其中广泛常见的就是通过 LDO 稳压芯片来实现得到不同的直流电压输出,因为成本低、性能好,且使用起来也很简单,让低压差线性稳压器(下文简称 LDO)用的也越来越多,几乎每款电子产品里都有其身影。
说它好用,是因为在普通设计里,只需要加入合适的输入电压,和几个滤波电容即可得到想要的输出电压,非常简单,然而也正因为这看似简单的用法也要工程师熟悉 LDO 的主要参数结合自己的具体设计。LDO 是靠自身的反馈环路控制主功率管,与负载分压,保持输出端电压的稳定。不同于 DC-DC,LDO 的输入电流,输出电流,和负载电流相等,属于串联关系,因此 LDO 本身就是靠消耗一部分功率来维持输出端的稳定。
一、LDO 工作原理
LDO 是 Low Dropout Regulator 的缩写,意思是低压差线性稳压器,下面是 LDO 的内部框图,大致的工作原理就是:参考电压 Vref 和反馈电压 FB(VOUT 通过两个电阻分压)分别接在误差放大器的反向和正向端,然后输出误差量,再通过 MOS drive 调整输出电压大小,达到输出稳定。当输出电压增大时,FB 增大,放大器输出电压增加,PMOS 管的 G 极电压增大,Usg 减小,PMOS 的输出电流和电压较小,形成了一个负反馈系统。
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LDO 典型框图
二、LDO 基本参数解释
输入电压:规定设计输入电源范围。
静态功耗:英文 Quiescent Current,输出电流为 0 时的输入电流,即 VOUT 空载时输入电流。好的 LDO 和差的 LDO 相比较,是在电源纹波抑制比 PSRR 差不多的时候,静态耗流会更低。
关闭功耗:英文 Shut down Current,使能脚拉低,VOUT=0V 时,VIN 上消耗的电流即为关闭功耗,一般在 1uA 以内,越小越好。
电源纹波抑制比:英文 PSRR,这个参数越大越好,代表抑制输入纹波的能力越强,一般 SPEC 给出的是 1KHz 下的值,如:68dB@F=1KHz,LDO 的最大的优点之一是它们能够衰减开关模式电源产生的电压纹波,所以一般在 100K 到 1MHz 之间的 PSRR 非常重要,这也是为什么我们经常看见 DC-DC 后面搭配一个 LDO 使用,敏感的模拟电源 AVDD 上,如 ADC,Camera 等,选择高 PSRR 的 LDO。
输出电流:设计时预留 50%的余量,实际运用过程中,输出电流的大小和输入输出电压都有关系。
输出电压:分为可调和固定,根据实际情况选择在,一般最好选择固定的。
输出电压精度:一般是 2%,还有 5%的。
耗散功率:使用时 LDO 的消耗的功耗不能超过这个值,否则 LDO 可能会损坏。
地电流:英文 Ground Current,指的是输入电流和输出电流的差值。指的是 LDO 正常工作状态,在特定的负载下,LDO 自身消耗的电流。
三、LDO 的特性
输出自放电
带自放电功能的 LDO,能尽快泄放输出电容上的能量,保证 LDO 尽快关闭,下次开启是从 0 电压。坏处是如果外部有电压加到或者串到 VOUT 上,因为 VOUT 上的 Rdischg 电阻,会有一定的耗流产生,确定不会有串电到 VOUT 上用带自放电的 LDO 比较好。
在 LDO 关闭时,下图中标注的 MOS 管会自动打开,VOUT 通过 Rdischg 对地放电,有的 LDO 框图中没有画这个自放电电阻,但是也是带自放电功能的,自放电电阻大小可以通过 RC 放电公式进行计算。
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带自放电的 LDO
软启动
带软启动的 LDO 可以有效的控制电流,使输出较平缓的上升。
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实际测试 LDO 的上电瞬间,VOUT 起来是比较平缓的,并没有电压过冲。
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实测 LDO 输出
软启动的时间可以依据下图测试,TSS 是输入电压上升到 0.5 倍到 VOUT 完全起来的时间间隔。
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软启动时间定义
LDO 效率
LDO 效率的计算公式为:
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输入电流等于输出电流加上静态功耗,根据以上公式,当 LDO 处在轻载时,IQ 就非常重要,IQ 越小,效率就越高。
动态负载调整(∆VOUT)
指的是输入电压一定,输出电压随负载电流变化而产生的变化量,当负载电流变化缓慢时,一般 LDO 能保持 LDO 恒定不变。当负载电流快速变化时,输出电压就会随之改变。这个输出电压的改变量决定了负载瞬态性能,这个值越小越好。
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线性瞬态响应
在负载一定的时候,输出电压随着输入电压改变而产生的变化量。这个值越小越好。
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压差(Dropout Voltage)
指保持电压稳定所需要的输入电压和输出电压之间的最小差值。当输入电压为 VIN1,输出为 VOUT1,缓慢降低 VIN1,当输出降低到 VOUT1 的 98%时,此时输入电压为 VIN2,那么 Vdrop=VIN2-VOUT1*98%,Vdrop 越小越好,意味着低功耗高效率。
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四、LDO 参考设计
输入输出电容选择
现在一般 LDO 输入输出各加一个 1UF 陶瓷电容即可,可选择 X5R 或者 X7R,ESR 也会影响 LDO 系统的稳定性,根据 SPEC 来选择合适 ESR 的电容。提高输出电容的容值,可以提高 LDO 的瞬态响应性能,缺点是会延长启动时间。
Layout 参考
输入输出电容靠近 LDO 管脚放置,LDO 和电容要使用同一铜层铺地,输入输出电容的地环路要短。
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版权声明: 本文为 InfoQ 作者【芯动大师】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/6f19db63dd622dfe25b7c967d】。文章转载请联系作者。
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