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80mV,?？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)洌忉岅P(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?！　?/p>

　　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(dòng),、降低輸出電壓,。

　　這種閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)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1Ω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(huì)延長啟動(dòng)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(chǔ)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 LDO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(dòng)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(dòng)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(dòng),。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(duì)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(duì)瞬態(tài)信號(hào)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(dòng)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(dòng)模式時(shí),，要求快速啟動(dòng) ——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(PSR)性能對(duì)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(duì)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(hào)，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,。

　　模擬穩(wěn)壓器噪聲的測量值用電壓有效值(rms)和PSR表示，后者代表了抑制上游噪聲的能力,。增加額外的濾波器或旁路電容可以減小噪聲,，但增加了成本和體積。仔細(xì)和靈活的LDO內(nèi)部設(shè)計(jì)也有助于噪聲降低和電源噪聲抑制,。在選擇LDO時(shí),，對(duì)涉及每個(gè)系統(tǒng)所需的總體性能的產(chǎn)品細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查很重要。

　　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(hào)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,，150mV的壓降對(duì)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(duì)于固定電壓穩(wěn)壓器,，Iq等于接地電流Ig,。對(duì)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(duì)便攜LDO來說通常低于1.0 µA,。這個(gè)指標(biāo)對(duì)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℃),。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(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)時(shí)間：啟動(dòng)時(shí)間被定義為使能信號(hào)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(dòng)時(shí)間可能會(huì)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(dòng)以節(jié)省功耗的便攜系統(tǒng)中,，穩(wěn)壓器的啟動(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)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(huì)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(hào)以正和負(fù)邏輯的形式提供,，用于關(guān)閉和啟動(dòng)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(dòng),，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(dòng)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(dòng)。

　　欠壓閉鎖：欠壓閉鎖(UVLO)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，ADP121在VOUT為1.2V時(shí),，在10kHz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(PSR)用分貝表示,，代表了LDO在寬的頻范圍(1kHz至100kHz)內(nèi)對(duì)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(huì)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ADP1740/ADP1741，有額外的電路防止從VOUT到VIN的反向電流流動(dòng),。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),。

　　軟啟動(dòng)：可編程軟啟動(dòng)有助于減小啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流和提供上電順序,。對(duì)于啟動(dòng)時(shí)要求浪涌電流受控的應(yīng)用，有些LDO(如ADP1740/ADP1741)提供了可編程的軟啟動(dòng)(SS)功能,。為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),，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(qǐng)?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™.