在系统中成功运用低压差稳压器
品慧电子讯低压差稳压器(LDO)能够在很宽的负载电流和输入电压范围内保持规定的输出电压，而且输入和输出电压之差可以很小。这个电压差被称为压降或裕量要求，在负载电流为2A时可以低至80m。可调输出低压差稳压器1于1977年首次推出。
现在，便携设备需要使用的低压差线性稳压器经常多达20个。最新便携设备中的许多LDO被集成进了多功能 电源管理芯片2 (PMIC)—这是高度集成的系统，拥有20个或以上的电源域，分别用于音频、电池充电、设备管理、照明、通信和其它功能。
然而，随着便携系统的快速发展，集成式PMIC已经无法满足外设电源要求。在系统开发的后期阶段必须增加专用 LDO来给各种选件供电，如相机模块、蓝牙、WiFi和其它连接模块。LDO还能用来辅助降低噪声，解决由电磁干扰(EMI) 和印刷电路板(PCB)布线造成的稳压问题，并通过关闭不需要的功能来提高系统效率。
本文将讨论基本的LDO拓扑，解释关键的性能指标，并展示低压差稳压器在系统中的应用。同时使用ADI公司 LDO产品系列3.的设计特 征进行示例说明。
图1：采用低压 差（Vout和在额定负载电流时 Vin的最低给定值之间的差值）技术稳定输出电压的LDO框图
基本的LDO架构4. LDO由参考电压、误差放大器、反馈分压器和传输晶体管组成，如图1所示。输出电流通过传输器件提供。传输器件的 栅极电压由误差放大器控制—误差放大器将参考电压和反馈电压进行比较，然后放大两者的差值以便减小误差电压。如果反馈电压低于参考电压，传输晶体管的栅极电压将被拉低，允许更多的电流 通过，进而提高输出电压。如果反馈电压高于参考电压，传输晶体管的栅极电压将被拉高，进而限制电流流动、降低输出电压.
这种闭环系统的动态特性基于两个主要的极点，一个是由误差放大器/ 传输晶体管组成的内部极点，另一个是由放大器的输出阻抗和输出电容的等效串联电阻(ESR)组成的外部极点。输出电容及其ESR 将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。为了确保稳定性，推荐1?或以下的ESR 值。另外，LDO要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化。电容值越大，LDO 的瞬态响应性能越好，但会延长启动时间。ADI公司的LDO在使用规定电容时可以在规定工作条件下达到很好的稳定性能。
LDO 效率: 提高效率一直是设计工程师的永恒追求，而提高效率的途径是降低静态电流(IQ)和前向压降。.
由于IQ在分母上，因此很明显IQ越高效率就越低。如今的LDO具有相当低的IQ。当IQ远小于ILOAD时，在效率计算公式中可以忽略IQ。这样，LDO的效率公式可以简化为(Vo/Vin)*100%。由于LDO无法存储大量的 未使用能量，没有提供给负载的功率将在LDO中以热量形式消耗掉。
LDO 可以提供稳定的电源电压，这种电压与负载和线路变化、环境 温度变化和时间流逝无关，并且当电源电压和负载电压之间的压差 很小时具有最高的效率。例如，随着锂离子电池从 4.2V（满充状态）下降到3.0V（放电后状态），与该电池连接的2.8V L D O将在负载处保持恒定的2.8V（压差小于200mV），但效率将从电池满充时的 67%增加到电池放电后的93%。
为了提高效率，LDO可以连接到由高效率开关稳压器产生的中间电压轨，例如使用 3.3V开关稳压器。LDO效率固定为85%，假设开关稳压器效率为95%，那么系统总效率将是81%。
电路特性增强LDO性能: 使能输入端允许通过外部电路控制LDO的启动和关闭，并允许在多电压轨系统中按正确的顺序加电。软启动 可以在上电期间限制浪涌电流和控制输出电压上升时间。睡眠状态能使漏电流最小，这个特性在电池供电系统中特别有用，并且允许快速启动。当 LDO的温度超过规定值时，热关断电路将关闭LDO。过流保护电路可以限制LDO的输出电流和功耗。欠压闭锁电路可以在供电电压低于规定的最小 值时禁止输出。图2 是用于便携设计的典型电源系统简图.
图 2：便携系统中的典型电源域
理解线性稳压器要求
LDO 用于数字负载: 像 ADP170 和 ADP1706这类数字线性稳压器设计 用于支持系统的主要数字要求，通常是微处理器内核和系统输入/输出(I/O)电路。用于DSP和微控制器的LDO 必须具有较高的效率，并能处理快速变化的大电流。更新的应用要求给数字LDO造成了巨大的压力，因为处理器内核为了节能而经常改变时钟频率。为了响应 软件导致的负载变化而发生的时钟频率变化对LDO的负载调整功能提出了严格的要求。
数字负载的重要特征有线路调整率和负载调整率，以及瞬态下冲和过冲。在给低电压的微处理器内核供电时，精确的输出控制总是非 常重要，没有足够的调整率将致使内核闭锁。数据手册中并不总是提供上述参数，瞬态响应图形也许表现出对瞬态信号不错的上升和 下降响应速度。线路和负载调整率有两种方式表述：一种是输出电压随负载变化的偏离百分比，实际的 V/I值，或 者在规定负载电流条件下同时用两者表示。
为了节省功耗，数字LDO需要具有较低的Iq以 延长电池寿命。便 携系统有很长时间软件处于空闲状态，这段时间系统处于低功耗状态。在不 活动时，系统将进入睡眠状态—要求LDO关闭，消耗电流不到1 μA。当LDO处于睡眠模式时，所有电路（包括带隙参考）都将被关闭。当系 统回到活动模式时，要求快速启动—在此期间数字供电电压必须不产生过高的过冲。过高的过冲将导致系统闭锁，有时需要拔出电 池或按下主复位按钮才能解决问题，并重启系统。
LDO 用于模拟和射频负载: 像 ADP121 和 ADP130具有的低噪声和高电源抑制(P SR)性能对模拟环境中使用的LDO来说 非常 重要，因为模拟器件比数字器件对噪声更敏感。
模拟LDO需求的主要来自无线接口要求—不损伤接收器或发送器，并在音频系统中不产生爆破音或嗡嗡声。无线连接非常容易受噪声的影响，如果噪声干扰到信号， 接收器的效果将大打折扣。在考虑模拟线性稳压器时，器件要能抑 制来自上游电源和下游负载的噪声，而且自身不增加噪声，这一点很 重要。
关键的LDO指标和定义
备注: ：制造商数据手册首页一般是一些摘要信息，通常突出了一些吸引人的器件特性。关键参数经常强调典型的性能特征，但只有查 阅了文档中的完整指标和其它数据后才能得到更完整的理解。另外，由于制造商提供指标的方式几乎没有标准可言，因此电源设计师需 要理解用来获得电气指标表格中列出的关键参数的定义和方法。系统设计师应该密切关注关键参数，如环境和结点温度范围、图形信息中的 X-Y刻度值、负载、瞬态信号的上升和下降时间以及带宽。下面讨论与ADI公司LDO的表征和应用有关的一些重要参数。
输入电压范围: ： LDO的输入电压范围决定了最低的可用输入电源电压。指标可能提供宽的输入电压范围，但最低输入电压必须超过压降加上想要的输出电压值。例如， 150m V的压降对于稳定的2.8V输出来说意味着输入电压必须大于2.95V。如果输入电压低于2.95V，输出电压将低于2.8V。
接地（静态）电流: 静态电流Iq 就是输入电流IIN和负载电流IOUT之间的差值，在规定的负载电流条件下测量。对于固定电压稳压器， IQ等于接地电流IG。对于可调稳压器，如 ADP1715, 静态电流等于接地电流减去来自外部分压电阻网络中的电流。
关断电流: 这是指设备禁用时 LDO消耗的输入电流，对便携LDO来说通常低于1.0 μ A。这个指标对于便携设备关机时长待机期间的电池寿命来说很重要。
输出电压精度: ADI公司的LDO具有很高的输出电压精度，在工厂制造时就被精确调整到±1%之内(25°C)。输出电压精度在工作温度、输 入电压和负载电流范围条件下加以规定。误差规定为±x%最差情况.
线路调整率: 线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。为了避免由于芯片温度变化引起的误差，线路调整率的测量 通常在低功耗状态或使用脉冲技术进行。
动态负载调整率: 只要负载电流缓慢变化，大多数LDO都能轻松地 保持输出电压接近恒定不变。然而，当负载电流快速改变时，输出电压也将发生改变。当负载电流发生变化时输出电压会改变多少就决定了负载瞬态性能。
压差:压差指保持电压稳定所需的输入电压和输出电压之间的最小差值。也就是说，LDO能够在输入电压降低时保持输出负载电压不变， 直到输入电压接近输出电压加上压差，在这个点输出电压将"失去"稳定。压差应尽可能小，以使功耗最小，效率最高。当输出电压降低到低于标称值 100mV的电压时，通常被认为达到了这个压差。负载电流和结点温度会影响这个压差。最大压差值应在整个工作温度范围 和负载电流条件下加以规定。
启动时间:启动时间被定义为使能信号的上升沿到VOUT接近其标称值的90%时的时间。这个测试通常是接上VIN、使能引脚从断开到接 通的触发条件下进行测量。备注：在使能引脚连接VIN的某些情况下，启动时间可能会大幅增加，因为带隙参考需要一定的稳定时间。在 稳压器需要频繁关闭和启动以节省功耗的便携系统中，稳压器的启动时间是一个重要的考虑因素。
限流阈值: 限流阈值被定义为输出电压下降到给定典型值的 90%时的负载电流。例如，3V输出电压的限流阈值被定义为造成输出电压下降到3.0V的90%或2.7V时的负载电流。
工作温度范围: 工作温度范围可以由环境温度和结点温度加以规定。 由于LDO会发热，因此IC的工作温度总是超过环境温度，比环境温度高出多少取决于工作状态和PCB热设计。数据手册上规定有最大结 点温度(TJ)，因为在最大结点温度之上工作过长的时间会影响器件的可靠性—统计学上称为平均故障时间(MTTF)。
热关断(TSD):大多数LDO具有自动温度调节装置，用于防止IC发生热失控。当结点温度超过规定的热关断阈值时，这个装置将关断 LDO。为了在重启之前让LDO冷却下来，要求一定的滞后时间。TSD很重要，因为它不单单保护LDO；过多的热量影响的不止是稳压器。从 LDO传导到PCB（或从电路板上更热的元件传导到LDO）的热量随着时间的推移可能破坏PCB 材料和焊接可靠性，也会破坏附近元件，进而缩短便携设备的寿命。另外，热关断将影响系统的可靠性。因此， 用于控制电路板温度的热设计（散热器、冷却装置等）是重要的系统考虑因素。
使能输入: LDO 使能信号以正和负逻辑的形式提供，用于关闭和启动LDO。高电平有效逻辑在使能端电压超过逻辑高电平门限时使能 器件，低电平有效逻辑在使能端电压低于逻辑低门限电平时使能器件。使能输入允许外部控制LDO 的关闭和启动，这是多电压轨系统中调整电源上电顺序的一个重要特性。一些LDO 具要相当短的启动时间，因为它们的带隙参考在LDO禁用时是打开的，允许LDO更快地启动。
欠压闭锁:欠压闭锁(U V LO)可以确保只有在系统输入电压高于规定阈值时才向负载输出电压。 UVLO很重要，因为它只在输入电压达到或超过器件稳定工作要求的电压时才让LDO器件上电。
输出噪声: ：LDO的内部带隙电压参考是噪声源，通常用给定带宽范 围内的毫伏有效值表示。例如，A D P121在VOUT为1.2V时，在10k H z至100kHz的带宽范围内有40μV rms 的输出噪声。在比较 数据手册指标时，给定的带宽和工作条件是重要的考虑因素。
电源抑制比: 电源抑制比(P SR)用分贝表示，代表了LDO 在宽的频范围（1k H z至100k H z）内对来自输入电源的纹波的抑制能力。在LDO中，PSR 可以用两个频段表征。频段1从直流到控制环路的单位增益频率，这时的PSR取决于稳压器的开环增益。频段2 在单位增益频率之上，这 时的PSR不受反馈环路的影响，PSR取决于输出电压以及从输 入到输出引脚的任何泄漏路径。选择一个适合的高值输出电容通常会改善后个频段的PSR。在频段1，ADI公司专有的电路设计可以减少 由于输入电压和负载变化引起的PSR变化。为了获得最佳的电源抑制性能，PCB版图设计时必须考虑减小从输入到输出的泄漏，而且要 有鲁棒性的接地性能。
最小输入和输出电容: 最小输入和输出电容应大于在各种工作条件 （尤其是工作电压和温度）下的规定值。在器件选型时必须考虑应用 中的各种工作条件，确保满足最小的电容规格。推荐使用X7R和X5R型电容。Y5V和Z5U电容不推荐在任何LDO电路中使用。
反向电流保持特性:采用PMOS传输管的典型LDO在VIN和VOUT之间有一个本 征体二极管。当VIN大于VOUT 时，这个二极管将 处于反偏状态。如果VOUT大于VIN，这个本征二极管将变成前向偏置，产生从VOUT到VIN的电流，进而造成破坏性的功耗。一些LDO ，如e ADP1740/ADP1741,有额外的电路防止从 VOUT到VIN的反向电流流动。反向电流保护电路检测到VOUT超过VIN时，将反转本征二极管连接的方向，使二极管仍处于反偏状态。
S软启动:可编程软启动有助于减小启动时的浪涌电流和提供上电 顺序。对于启动时要求浪涌电流受控的应用，有些 LDO（如A D P 174 0 /A D P 1741）提供了可编程的软启动(S S)功能。为了实现软启动，在SS和地引脚之间需要连接一个小的陶瓷电容。
结束语
LDO执行的是一个重要功能。虽然概念上很简单，但在应用时需要考虑许多方面的因素。本文介绍了基本的LDO拓扑，解释了一些关键指标和低压差稳压器在系统中的应用。在数据手册中还包含了许多有用的信息。欲了解进一步信息（选型指南、数据手册、应用笔记）—以及获取人工帮助的方式—请访问 电源管理6网站. 这个网站同时 还提供业界最快、最精确的 DC/DC电源管理设计工具7ADIsimPower™。
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