在系統(tǒng)中成功運(yùn)用低壓差穩(wěn)壓器
發(fā)布時(shí)間:2019-12-24 來源:Ken Marasco 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】低壓差穩(wěn)壓器(LDO)能夠在很寬的負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓,而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個(gè)電壓差被稱為壓降或裕量要求,在負(fù)載電流為2A時(shí)可以低至80m??烧{(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器1于1977年首次推出。
現(xiàn)在,便攜設(shè)備需要使用的低壓差線性穩(wěn)壓器經(jīng)常多達(dá)20個(gè)。最新便攜設(shè)備中的許多LDO被集成進(jìn)了多功能 電源管理芯片2 (PMIC)—這是高度集成的系統(tǒng),擁有20個(gè)或以上的電源域,分別用于音頻、電池充電、設(shè)備管理、照明、通信和其它功能。
然而,隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展,集成式PMIC已經(jīng)無法滿足外設(shè)電源要求。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段必須增加專用 LDO來給各種選件供電,如相機(jī)模塊、藍(lán)牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來輔助降低噪聲,解決由電磁干擾(EMI) 和印刷電路板(PCB)布線造成的穩(wěn)壓問題,并通過關(guān)閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率。
本文將討論基本的LDO拓?fù)?,解釋關(guān)鍵的性能指標(biāo),并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)使用ADI公司 LDO產(chǎn)品系列3.的設(shè)計(jì)特 征進(jìn)行示例說明。
圖1:采用低壓 差(Vout和在額定負(fù)載電流時(shí) Vin的最低給定值之間的差值)技術(shù)穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖
基本的LDO架構(gòu)4. LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成,如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供。傳輸器件的 柵極電壓由誤差放大器控制—誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進(jìn)行比較,然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓,傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低,允許更多的電流 通過,進(jìn)而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓,傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高,進(jìn)而限制電流流動、降低輸出電壓.
這種閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個(gè)主要的極點(diǎn),一個(gè)是由誤差放大器/ 傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點(diǎn),另一個(gè)是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)組成的外部極點(diǎn)。輸出電容及其ESR 將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負(fù)載電流瞬態(tài)變化的響應(yīng)性能。為了確保穩(wěn)定性,推薦1?或以下的ESR 值。另外,LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負(fù)載瞬態(tài)變化。電容值越大,LDO 的瞬態(tài)響應(yīng)性能越好,但會延長啟動時(shí)間。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時(shí)可以在規(guī)定工作條件下達(dá)到很好的穩(wěn)定性能。
LDO 效率: 提高效率一直是設(shè)計(jì)工程師的永恒追求,而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流(IQ)和前向壓降。.
由于IQ在分母上,因此很明顯IQ越高效率就越低。如今的LDO具有相當(dāng)?shù)偷腎Q。當(dāng)IQ遠(yuǎn)小于ILOAD時(shí),在效率計(jì)算公式中可以忽略IQ。這樣,LDO的效率公式可以簡化為(Vo/Vin)*100%。由于LDO無法存儲大量的 未使用能量,沒有提供給負(fù)載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。
LDO 可以提供穩(wěn)定的電源電壓,這種電壓與負(fù)載和線路變化、環(huán)境 溫度變化和時(shí)間流逝無關(guān),并且當(dāng)電源電壓和負(fù)載電壓之間的壓差 很小時(shí)具有最高的效率。例如,隨著鋰離子電池從 4.2V(滿充狀態(tài))下降到3.0V(放電后狀態(tài)),與該電池連接的2.8V L D O將在負(fù)載處保持恒定的2.8V(壓差小于200mV),但效率將從電池滿充時(shí)的 67%增加到電池放電后的93%。
為了提高效率,LDO可以連接到由高效率開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌,例如使用 3.3V開關(guān)穩(wěn)壓器。LDO效率固定為85%,假設(shè)開關(guān)穩(wěn)壓器效率為95%,那么系統(tǒng)總效率將是81%。
電路特性增強(qiáng)LDO性能: 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關(guān)閉,并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電。軟啟動 可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時(shí)間。睡眠狀態(tài)能使漏電流最小,這個(gè)特性在電池供電系統(tǒng)中特別有用,并且允許快速啟動。當(dāng) LDO的溫度超過規(guī)定值時(shí),熱關(guān)斷電路將關(guān)閉LDO。過流保護(hù)電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的最小 值時(shí)禁止輸出。圖2 是用于便攜設(shè)計(jì)的典型電源系統(tǒng)簡圖.
圖 2:便攜系統(tǒng)中的典型電源域
理解線性穩(wěn)壓器要求
LDO 用于數(shù)字負(fù)載: 像 ADP170 和 ADP1706這類數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì) 用于支持系統(tǒng)的主要數(shù)字要求,通常是微處理器內(nèi)核和系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)電路。用于DSP和微控制器的LDO 必須具有較高的效率,并能處理快速變化的大電流。更新的應(yīng)用要求給數(shù)字LDO造成了巨大的壓力,因?yàn)樘幚砥鲀?nèi)核為了節(jié)能而經(jīng)常改變時(shí)鐘頻率。為了響應(yīng) 軟件導(dǎo)致的負(fù)載變化而發(fā)生的時(shí)鐘頻率變化對LDO的負(fù)載調(diào)整功能提出了嚴(yán)格的要求。
數(shù)字負(fù)載的重要特征有線路調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率,以及瞬態(tài)下沖和過沖。在給低電壓的微處理器內(nèi)核供電時(shí),精確的輸出控制總是非 常重要,沒有足夠的調(diào)整率將致使內(nèi)核閉鎖。數(shù)據(jù)手冊中并不總是提供上述參數(shù),瞬態(tài)響應(yīng)圖形也許表現(xiàn)出對瞬態(tài)信號不錯(cuò)的上升和 下降響應(yīng)速度。線路和負(fù)載調(diào)整率有兩種方式表述:一種是輸出電壓隨負(fù)載變化的偏離百分比,實(shí)際的 V/I值,或 者在規(guī)定負(fù)載電流條件下同時(shí)用兩者表示。
為了節(jié)省功耗,數(shù)字LDO需要具有較低的Iq以 延長電池壽命。便 攜系統(tǒng)有很長時(shí)間軟件處于空閑狀態(tài),這段時(shí)間系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。在不 活動時(shí),系統(tǒng)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)—要求LDO關(guān)閉,消耗電流不到1 μA。當(dāng)LDO處于睡眠模式時(shí),所有電路(包括帶隙參考)都將被關(guān)閉。當(dāng)系 統(tǒng)回到活動模式時(shí),要求快速啟動—在此期間數(shù)字供電電壓必須不產(chǎn)生過高的過沖。過高的過沖將導(dǎo)致系統(tǒng)閉鎖,有時(shí)需要拔出電 池或按下主復(fù)位按鈕才能解決問題,并重啟系統(tǒng)。
LDO 用于模擬和射頻負(fù)載: 像 ADP121 和 ADP130具有的低噪聲和高電源抑制(P SR)性能對模擬環(huán)境中使用的LDO來說 非常 重要,因?yàn)槟M器件比數(shù)字器件對噪聲更敏感。
模擬LDO需求的主要來自無線接口要求—不損傷接收器或發(fā)送器,并在音頻系統(tǒng)中不產(chǎn)生爆破音或嗡嗡聲。無線連接非常容易受噪聲的影響,如果噪聲干擾到信號, 接收器的效果將大打折扣。在考慮模擬線性穩(wěn)壓器時(shí),器件要能抑 制來自上游電源和下游負(fù)載的噪聲,而且自身不增加噪聲,這一點(diǎn)很 重要。
關(guān)鍵的LDO指標(biāo)和定義
備注: :制造商數(shù)據(jù)手冊首頁一般是一些摘要信息,通常突出了一些吸引人的器件特性。關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)典型的性能特征,但只有查 閱了文檔中的完整指標(biāo)和其它數(shù)據(jù)后才能得到更完整的理解。另外,由于制造商提供指標(biāo)的方式幾乎沒有標(biāo)準(zhǔn)可言,因此電源設(shè)計(jì)師需 要理解用來獲得電氣指標(biāo)表格中列出的關(guān)鍵參數(shù)的定義和方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)該密切關(guān)注關(guān)鍵參數(shù),如環(huán)境和結(jié)點(diǎn)溫度范圍、圖形信息中的 X-Y刻度值、負(fù)載、瞬態(tài)信號的上升和下降時(shí)間以及帶寬。下面討論與ADI公司LDO的表征和應(yīng)用有關(guān)的一些重要參數(shù)。
輸入電壓范圍: : LDO的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。指標(biāo)可能提供寬的輸入電壓范圍,但最低輸入電壓必須超過壓降加上想要的輸出電壓值。例如, 150m V的壓降對于穩(wěn)定的2.8V輸出來說意味著輸入電壓必須大于2.95V。如果輸入電壓低于2.95V,輸出電壓將低于2.8V。
接地(靜態(tài))電流: 靜態(tài)電流Iq 就是輸入電流IIN和負(fù)載電流IOUT之間的差值,在規(guī)定的負(fù)載電流條件下測量。對于固定電壓穩(wěn)壓器, IQ等于接地電流IG。對于可調(diào)穩(wěn)壓器,如 ADP1715, 靜態(tài)電流等于接地電流減去來自外部分壓電阻網(wǎng)絡(luò)中的電流。
關(guān)斷電流: 這是指設(shè)備禁用時(shí) LDO消耗的輸入電流,對便攜LDO來說通常低于1.0 μ A。這個(gè)指標(biāo)對于便攜設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)長待機(jī)期間的電池壽命來說很重要。
輸出電壓精度: ADI公司的LDO具有很高的輸出電壓精度,在工廠制造時(shí)就被精確調(diào)整到±1%之內(nèi)(25°C)。輸出電壓精度在工作溫度、輸 入電壓和負(fù)載電流范圍條件下加以規(guī)定。誤差規(guī)定為±x%最差情況.
線路調(diào)整率: 線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。為了避免由于芯片溫度變化引起的誤差,線路調(diào)整率的測量 通常在低功耗狀態(tài)或使用脈沖技術(shù)進(jìn)行。
動態(tài)負(fù)載調(diào)整率: 只要負(fù)載電流緩慢變化,大多數(shù)LDO都能輕松地 保持輸出電壓接近恒定不變。然而,當(dāng)負(fù)載電流快速改變時(shí),輸出電壓也將發(fā)生改變。當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)輸出電壓會改變多少就決定了負(fù)載瞬態(tài)性能。
壓差:壓差指保持電壓穩(wěn)定所需的輸入電壓和輸出電壓之間的最小差值。也就是說,LDO能夠在輸入電壓降低時(shí)保持輸出負(fù)載電壓不變, 直到輸入電壓接近輸出電壓加上壓差,在這個(gè)點(diǎn)輸出電壓將"失去"穩(wěn)定。壓差應(yīng)盡可能小,以使功耗最小,效率最高。當(dāng)輸出電壓降低到低于標(biāo)稱值 100mV的電壓時(shí),通常被認(rèn)為達(dá)到了這個(gè)壓差。負(fù)載電流和結(jié)點(diǎn)溫度會影響這個(gè)壓差。最大壓差值應(yīng)在整個(gè)工作溫度范圍 和負(fù)載電流條件下加以規(guī)定。
啟動時(shí)間:啟動時(shí)間被定義為使能信號的上升沿到VOUT接近其標(biāo)稱值的90%時(shí)的時(shí)間。這個(gè)測試通常是接上VIN、使能引腳從斷開到接 通的觸發(fā)條件下進(jìn)行測量。備注:在使能引腳連接VIN的某些情況下,啟動時(shí)間可能會大幅增加,因?yàn)閹秴⒖夹枰欢ǖ姆€(wěn)定時(shí)間。在 穩(wěn)壓器需要頻繁關(guān)閉和啟動以節(jié)省功耗的便攜系統(tǒng)中,穩(wěn)壓器的啟動時(shí)間是一個(gè)重要的考慮因素。
限流閾值: 限流閾值被定義為輸出電壓下降到給定典型值的 90%時(shí)的負(fù)載電流。例如,3V輸出電壓的限流閾值被定義為造成輸出電壓下降到3.0V的90%或2.7V時(shí)的負(fù)載電流。
工作溫度范圍: 工作溫度范圍可以由環(huán)境溫度和結(jié)點(diǎn)溫度加以規(guī)定。 由于LDO會發(fā)熱,因此IC的工作溫度總是超過環(huán)境溫度,比環(huán)境溫度高出多少取決于工作狀態(tài)和PCB熱設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)手冊上規(guī)定有最大結(jié) 點(diǎn)溫度(TJ),因?yàn)樵谧畲蠼Y(jié)點(diǎn)溫度之上工作過長的時(shí)間會影響器件的可靠性—統(tǒng)計(jì)學(xué)上稱為平均故障時(shí)間(MTTF)。
熱關(guān)斷(TSD):大多數(shù)LDO具有自動溫度調(diào)節(jié)裝置,用于防止IC發(fā)生熱失控。當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過規(guī)定的熱關(guān)斷閾值時(shí),這個(gè)裝置將關(guān)斷 LDO。為了在重啟之前讓LDO冷卻下來,要求一定的滯后時(shí)間。TSD很重要,因?yàn)樗粏螁伪Wo(hù)LDO;過多的熱量影響的不止是穩(wěn)壓器。從 LDO傳導(dǎo)到PCB(或從電路板上更熱的元件傳導(dǎo)到LDO)的熱量隨著時(shí)間的推移可能破壞PCB 材料和焊接可靠性,也會破壞附近元件,進(jìn)而縮短便攜設(shè)備的壽命。另外,熱關(guān)斷將影響系統(tǒng)的可靠性。因此, 用于控制電路板溫度的熱設(shè)計(jì)(散熱器、冷卻裝置等)是重要的系統(tǒng)考慮因素。
使能輸入: LDO 使能信號以正和負(fù)邏輯的形式提供,用于關(guān)閉和啟動LDO。高電平有效邏輯在使能端電壓超過邏輯高電平門限時(shí)使能 器件,低電平有效邏輯在使能端電壓低于邏輯低門限電平時(shí)使能器件。使能輸入允許外部控制LDO 的關(guān)閉和啟動,這是多電壓軌系統(tǒng)中調(diào)整電源上電順序的一個(gè)重要特性。一些LDO 具要相當(dāng)短的啟動時(shí)間,因?yàn)樗鼈兊膸秴⒖荚贚DO禁用時(shí)是打開的,允許LDO更快地啟動。
欠壓閉鎖:欠壓閉鎖(U V LO)可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時(shí)才向負(fù)載輸出電壓。 UVLO很重要,因?yàn)樗辉谳斎腚妷哼_(dá)到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時(shí)才讓LDO器件上電。
輸出噪聲: :LDO的內(nèi)部帶隙電壓參考是噪聲源,通常用給定帶寬范 圍內(nèi)的毫伏有效值表示。例如,A D P121在VOUT為1.2V時(shí),在10k H z至100kHz的帶寬范圍內(nèi)有40μV rms 的輸出噪聲。在比較 數(shù)據(jù)手冊指標(biāo)時(shí),給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。
電源抑制比: 電源抑制比(P SR)用分貝表示,代表了LDO 在寬的頻范圍(1k H z至100k H z)內(nèi)對來自輸入電源的紋波的抑制能力。在LDO中,PSR 可以用兩個(gè)頻段表征。頻段1從直流到控制環(huán)路的單位增益頻率,這時(shí)的PSR取決于穩(wěn)壓器的開環(huán)增益。頻段2 在單位增益頻率之上,這 時(shí)的PSR不受反饋環(huán)路的影響,PSR取決于輸出電壓以及從輸 入到輸出引腳的任何泄漏路徑。選擇一個(gè)適合的高值輸出電容通常會改善后個(gè)頻段的PSR。在頻段1,ADI公司專有的電路設(shè)計(jì)可以減少 由于輸入電壓和負(fù)載變化引起的PSR變化。為了獲得最佳的電源抑制性能,PCB版圖設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮減小從輸入到輸出的泄漏,而且要 有魯棒性的接地性能。
最小輸入和輸出電容: 最小輸入和輸出電容應(yīng)大于在各種工作條件 (尤其是工作電壓和溫度)下的規(guī)定值。在器件選型時(shí)必須考慮應(yīng)用 中的各種工作條件,確保滿足最小的電容規(guī)格。推薦使用X7R和X5R型電容。Y5V和Z5U電容不推薦在任何LDO電路中使用。
反向電流保持特性:采用PMOS傳輸管的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個(gè)本 征體二極管。當(dāng)VIN大于VOUT 時(shí),這個(gè)二極管將 處于反偏狀態(tài)。如果VOUT大于VIN,這個(gè)本征二極管將變成前向偏置,產(chǎn)生從VOUT到VIN的電流,進(jìn)而造成破壞性的功耗。一些LDO ,如e ADP1740/ADP1741,有額外的電路防止從 VOUT到VIN的反向電流流動。反向電流保護(hù)電路檢測到VOUT超過VIN時(shí),將反轉(zhuǎn)本征二極管連接的方向,使二極管仍處于反偏狀態(tài)。
S軟啟動:可編程軟啟動有助于減小啟動時(shí)的浪涌電流和提供上電 順序。對于啟動時(shí)要求浪涌電流受控的應(yīng)用,有些 LDO(如A D P 174 0 /A D P 1741)提供了可編程的軟啟動(S S)功能。為了實(shí)現(xiàn)軟啟動,在SS和地引腳之間需要連接一個(gè)小的陶瓷電容。
結(jié)束語
LDO執(zhí)行的是一個(gè)重要功能。雖然概念上很簡單,但在應(yīng)用時(shí)需要考慮許多方面的因素。本文介紹了基本的LDO拓?fù)?,解釋了一些關(guān)鍵指標(biāo)和低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)手冊中還包含了許多有用的信息。欲了解進(jìn)一步信息(選型指南、數(shù)據(jù)手冊、應(yīng)用筆記)—以及獲取人工幫助的方式—請?jiān)L問 電源管理6網(wǎng)站. 這個(gè)網(wǎng)站同時(shí) 還提供業(yè)界最快、最精確的 DC/DC電源管理設(shè)計(jì)工具7ADIsimPower™。
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