在系统中成功运用低压差稳压器

低压差稳压器(L D O)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。

Figure 1
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1Ω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。.

Equation 1

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。

Equation 2

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.

Figure 2
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:ADP170ADP1706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:ADP121ADP130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™。


参考电路

1 Dobkin, R., "Break Loose from Fixed IC Regulators," Electronic Design, 1977年4月12日。

2 http://www.analog.com/en/power-management/multifunction-power-ics/products/index.html

3 http://www.analog.com/en/power-management/linear-regulators/products/index.html

4 Patoux, J., 应用工程师 问答37—低压差调节器, 模拟对话 41-2 (2007),第8至10页。

5 有关ADI公司的所有器件信息,请访问 www.analog.com.

6 http://www.analog.com/en/power-management/products/index.html

7 http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain.aspx


作者

Ken Marasco

Ken Marasco

Ken Marasco是ADI公司系统应用经理,负责便携式电源产品的技术支持,在ADI公司便携式应用小组已经工作了三年。他毕业于NYIT,持有应用物理专业学士学位,在系统和元件设计方面拥有37年的丰富经验。