應用工程師問客問 低壓差穩壓器(LDO)

本文作者:admin       點擊: 2008-11-24 00:00
前言:
本文介紹低壓差穩壓器(LDO)的基本架構和使用技巧以確保其穩定工作。我們還討論ADI公司LDO系列產品的設計特點,這些特點可提供一種保持動態穩定性和直流(DC)穩定性的靈活方法。

什麽是LDO?如何使用它們?
穩壓器用於提供一種不隨負載阻抗、輸入電壓、溫度和時間變化而變化穩定的電源電壓。低壓差穩壓器因其能夠在電源電壓(輸入端)與負載電壓(輸出端)之間保持微小壓差而著稱。例如,如果鋰電池電壓從4.2 V(全充電)下降到2.7 V(幾乎全放電),而LDO可在負載端保持2.5 V恆定電壓。

攜帶型應用的日益增加使得設計工程師考慮使用LDO保持所需的系統電壓,而與電池充電狀態無關。攜帶型系統不是受益於LDO的唯一應用,任何需要穩定恆定電壓,當最小的輸出變化供電時(或工作在大幅變動的輸入供電)的設備都可以考慮使用LDO。典型實例包括使用數位和射頻(RF)負載的電路。

“線性”串聯穩壓器(見圖1)通常包括一個參考電壓源、一種按輸出電壓比例並將之與參考電壓做一比較的方法、一個回授放大器和一個串聯平移電晶體組成(雙極型電晶體或FET)組成,用放大器控制穩壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如,如果負載電流下降,會引起輸出電壓顯著上升,誤差電壓增大,放大器的輸出上升,導通電晶體兩端的電壓會增加,因此輸出電壓回到其原始值。
 
圖1. 基本的增強型PMOS LDO。

在圖1中,誤差放大器和PMOS電晶體構成壓控電流源。輸出電壓VOUT按分壓比(R1,R2)成比例下降,並且將其與參考電壓(VREF)比較。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS電晶體。

穩壓器的“壓差”是指輸出電壓與輸入電壓之間的壓差,如果此輸入電壓繼續減小那麽該電路便不能穩壓。通常認為當輸出電壓下降到低於標稱值100 mV時是達到的目標。表徵這LDO穩壓器的關鍵指標取決於負載電流和平移電晶體的PN接合溫度。

如何根據壓差對穩壓器分類?
我們建議分為三類:標準穩壓器、準LDO和LDO 。

標準穩壓器,通常使用NPN導通電晶體,通常輸出管的壓降大約為2V。

準LDO穩壓器,通常使用達靈頓架構(見圖2)以便實現由一顆NPN電晶體和一顆PNP電晶體組成的導通電晶體。這種VSAT (PNP)+VBE (NPN)電晶體的壓降,通常大約為1V ——比LDO高但比標準穩壓器低。
 
圖2. 準LDO電路。

LDO穩壓器通常根據壓差要求作最佳選擇,通常壓差在100 mV~200 mV 範圍。然而,LDO的缺點是其接地引腳的電流通常比準LDO或標準穩壓器大。

標準穩壓器比其他類型穩壓器具有較大的壓差,較大的功耗和較低的效率。大多數情況下可使用LDO穩壓器代替標準穩壓器,但是應該考慮到LDO穩壓器的最大輸入電壓指標比標準穩壓器低。此外,有些LDO需要精心挑選外部電容器以保持穩定性。這三種類型穩壓器在頻寬和動態穩定性考慮因素方面也有些不同。

如何為我的應用選擇最佳穩壓器?
為特定的應用選擇合適的穩壓器,需要考慮輸入電壓的類型和範圍(例如穩壓器前面的DC/DC變換器或開關電源的輸出電壓)。其他重要考慮因素是:需要的輸出電壓、最大負載電流、最小壓差、靜態電流和功耗。通常,穩壓器的附加功能可能很有用,例如待機引腳或指示穩壓失效的錯誤標誌。

為了選擇合適類型的LDO,需要考慮輸入電壓源。在電池供電應用中,當電池放電時,LDO必須維持所需的系統電壓。如果DC輸入電壓是由經過整流的AC電源提供,那麼壓差並不重要,因此標準穩壓器可能是更好的選擇,因為其價格較低並且可以提供較大的負載電流。但是如果需要較低功耗或較精密的輸出電壓,則LDO是合適的選擇。

當然,穩壓器應該在最壞工作環境達到規定準確度的條件下,能夠為負載提供足夠大的電流。

LDO架構
在圖1中,導通元件是PMOS電晶體。然而,穩壓器可能使用各種類型的導通元件,因此可以根據所使用的導通電晶體類型對LDO分類。不同架構和特性的LDO具有不同的優點和缺點。

四種類型導通電晶體示例如圖3所示,包括NPN雙極型電晶體、PNP雙極型電晶體、達靈頓電路和PMOS電晶體。
 
圖3. 導通電晶體圖示。

對於已知的電源電壓,雙極型導通元件可提供最大的輸出電流。PNP優於NPN,因為PNP的基極可以與地連接,必要時使電晶體完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接,從而使最小壓降限制到一個VBE壓降。因此,NPN和達靈頓導通元件不能提供小於1V的壓差。然而它們在需要寬頻寬和抗容性負載干擾時非常有用(因為它們具有低輸出阻抗ZOUT特性)。

PMOS和PNP電晶體可以快速達到飽和,從而能使導通電晶體電壓損耗和功耗最小,從而允許用作低壓差、低功耗穩壓器。PMOS導通電晶體可以提供盡可能最低的電壓降,大約等於RDS(ON)×IL。它允許達到最低的靜態電流。PMOS導通電晶體的主要缺點是MOS 電晶體通常用作外部元件—— 特別當控制大電流時——從而使IC構成一個控制器,而不能構成一個自身完整的穩壓器。

一個完整穩壓器的總功耗是
PD = (VIN – VOUT) IL + VINIGND 

上面關係式的第一部分是導通電晶體的功耗;第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩壓器的接地電流,特別是那些用飽和雙極型電晶體作導通電晶體的穩壓器,會在上電期間達到峰值。

如何確保LDO的動態穩定性?
適合普通應用的傳統LDO穩壓器設計存在穩定性問題。這個問題是由於回授電路的性能、多種可能的負載、迴路中元件的變化和難於獲得具有一致性參數的精密補償。下面將討論這些考慮因素。

LDO通常使用一個回授迴路在輸出端提供一個與負載無關的恆定電壓。因為對於任何高增益回授迴路來說,迴路增益傳遞函數中極點和零點的位置都決定其穩定性。

NPN型穩壓器具有低阻抗射極負載輸出,傾向於對輸出容性負載很不敏感。然而, PNP型和PMOS型穩壓器具有較大的輸出阻抗(在PNP型穩壓器中具有高阻抗集電極負載)。

此外,迴路增益和相位特性強烈依賴負載阻抗,因此對於穩定性問題需要特別考慮。

PNP型LDO和PMOS型LDO的傳遞函數具有幾個影響穩定性的極點:

• 主極點(圖4中的P0)由誤差放大器決定;它是由放大器的gm透過內部補償電容CCOMP一起控制和確定的。主極點對上述所有LDO架構都是共同的。

• 第二極點(P1)由輸出電抗(指輸出電容和負載電容以及負載阻抗)決定。這使得應用問題更難處理,因為這些電抗會影響迴路的增益和頻寬。

•第三極點(P2)由導通電晶體附近的寄生電容決定。在相同條件下,PNP功率電晶體的單位增益頻率(fT)比NPN電晶體的fT低很多。
 
圖4. LDO的頻率振幅響應。

如圖4所示,每個極點產生每10倍頻程20dB的增益下降並且伴隨90 °的相移。因為這裏所討論的LDO有多個極點,所以如果單位增益頻率處的相移達到-180 °,線性穩壓器會變得不穩定。圖4還顯示了容性負載對穩壓器的影響,其等效串聯電阻(ESR)會在傳遞函數中增加一個零點(ZESR)。該零點有助於補償其中一個極點,並且如果該極點出現在單位增益頻率以下時有助於穩定迴路並且保持相應頻點的相移低於-180 °。

ESR對於維持穩定性會是至關重要的,特別對於使用縱向PNP導通電晶體的LDO。然而,由於電容器的寄生特性,所以ESR不總是好控制。電路可能需要ESR集中在某個視窗範圍內以確保LDO工作在對於所有輸出電流都穩定的區域(見圖5)。
 
圖5. 穩定性隨輸出電流IOUT和負載電容的ESR變化。 

雖然原則上選擇具有正確ESR的合適電容器(要求頻率回應曲線在穿過0 dB之前下降得足夠快,並且在達到相關極點P2之前向低於0 dB增益方向減小得足夠滿)非常困難。實際考慮還會增加更多的困難:ESR隨著產品型號變化;大量生產使用的最小電容值需要進行基準測試,包括最小環境溫度和最大負載的極端條件。電容器類型的選擇也很重要。最合適的電容器是鉭質電容,儘管具有大容量的鉭質電容尺寸很大。鋁電解電容器的尺寸很小,但其ESR在低溫時會變差,並且在-30 °C以下無法正常工作。多層陶瓷電容器類型無法為普通的LDO提供足夠的電容,但是它們適合於穩定的新型LDO,這些LDO具有極低的電容。

您可以介紹一下ADI公司的LDO系列產品嗎?
當然,選擇LDO要根據電源電壓範圍、負載電壓和所需的最大壓差。不同元件的主要差別集中在功耗、效率、價格、容易使用以及各種技術指標和提供的封裝形式。 

ADI公司幾年來一直為市場提供流行的ADP33xx anyCAP系列LDO。它們採用BiCMOS製程和PNP導通電晶體,因此具有很好的穩壓性能和上述許多優點,但其價格發展趨勢比CMOS元件貴了一些。 

一些新設計,例如ADP17xx系列,完全基於CMOS製程製造並且使用PMOS導通電晶體,因而允許以低成本生產LDO,但其犧牲了線性穩壓器的性能。該系列穩壓器可以適應多種輸出電容,但它們仍然需要至少1 μF的電容和≤500 m Ω的ESR。例如,150 mA 的ADP1710和ADP1711使用1 μF 很小的陶瓷輸出電容器就可以適應穩定地工作,從而具有優良的暫態性能同時佔用最小的印刷電路板(PCB)面積;300 mA 的ADP1712,ADP1713和ADP1714可使用≥2.2 μF的電容器。

以上兩個系列穩壓器都具有在0.75 V~3.3 V範圍內16個固定輸出電壓選擇和在0.8 V~5 V範圍內可調輸出電壓選擇。隨線路、負載和溫度等變化,輸出電壓準確度優於±2%。ADP1711和ADP1713固定輸出電壓穩壓器允許外部連接一個參考電壓旁路電容器,以減小輸出電壓雜訊並且提高電源抑制比。ADP1714具有跟蹤功能,它允許輸出電壓跟隨一個外部電壓或參考電壓。ADP1710和ADP1711在額定負載下的壓差是150 mV;ADP1712,ADP1713和ADP1714則為170 mV 。它們的電源抑制(PSR)很高(1 kHz時為69 dB和72 dB),並且功耗很低(負載電流為100 μA時其接地電流為40 μA和75 μA)。

兩系列穩壓器工作溫度範圍為-40 °C~+125 °C,都採用5支腳TSOT超小封裝,該封裝是一種滿足各種電源要求的超小封裝解決方案。

ADI公司最新LDO系列產品包括ADP12x與ADP13x,它們是為了滿足低功耗與低雜訊限制而設計的,無需在線路/負載調整以及電源抑制方面進行折衷。 

ADP120是一款低靜態電流、低壓降線性穩壓器,工作電壓為2.3 V~5.5 V,輸出電流高達100 mA。100 mV的低壓降電壓以及100 mA的負載能夠提高效率,並允許在較寬的輸入電壓範圍內工作。滿負載下低至25 μA的靜態電流使ADP120成為電池供電的攜帶型設備的理想選擇。該元件已經為穩定工作最佳化,採用1 μF小型陶瓷輸出電容器,具有良好的暫態性能以及最小的電路板面積。

為了從敏感的類比與混合信號IC中獲得最佳性能,這些元件的電源必須是乾淨的,也就是需要具有低雜訊和出色的漣波抑制。ADP121實現了40uVRMS的低雜訊(1.2V)與60dB以上的電源抑制比(高達10kHz)的完美結合,同時靜態電流僅為11 mA,非常適合於攜帶型以及電池供電應用。這款低靜態電流LDO非常適合應用於對功耗敏感的混合信號元件,如攜帶型消費類設備、工業、醫療應用中使用的ADC、DAC、RF電路、PLL以及類比前端。該元件還非常適合於為小尺寸數位內核提供高準確度、高穩定的低壓電源。ADP130工作在雙電源模式,輸入電壓低至1.2 V,能夠提高效率並提供高達350 mA的輸出電流。負載為100 mA時,17 mV的低壓降允許其工作在更寬的輸入電壓範圍內。由於採用更高的VBIAS電源為元件供電,並利用更低的VIN電源為負載提供電流,因此,與單電源解決方案相比,雙電源解決方案通常可以提高轉換效率,元件功耗也因此有所降低。 

Jerome Patoux現任法國ADI公司協同客戶業務拓展部的現場應用工程師。

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