如何成功应用低压差稳压器

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其指定的输出电压，输入和输出电压之间的差异非常小。这种差异称为压差或裕量要求，在80 A时可低至2 mV。可调输出低压差稳压器11977年首次引起公众关注。如今，便携式设备通常需要多达20个低压差线性稳压器。当今便携式设备中的许多LDO都集成到多功能电源管理IC中2（PMIC） — 具有 20 个或更多电源域的高度集成系统，用于音频、电池充电、内务管理、照明、通信和其他功能。

然而，随着便携式系统的快速发展，集成的PMIC无法满足外设电源要求。在系统开发的后期阶段，必须添加专用的LDO，为摄像头模块、蓝牙、WiFi和其他螺栓固定模块等可选项目供电。LDO还被用作降噪的创可贴，以解决由电磁干扰（EMI）和印刷电路板（PCB）布线引起的电压调节问题，并通过关闭不需要的功能来提高系统效率。

本文回顾了基本的LDO拓扑结构，解释了关键规格，并展示了低压差稳压器在系统中的应用。将使用ADI公司LDO系列的设计特性给出示例3.

图1.LDO以低压差（额定负载电流下Vout与Vin的最低指定值之差）调节输出电压。

基本 LDO 架构4.LDO由基准电压源、误差放大器、反馈分压器和调整管组成，如图1所示。输出电流通过调整器件提供。其栅极电压由误差放大器控制，误差放大器将基准电压与反馈电压进行比较，放大差值以降低误差电压。如果反馈电压低于基准电压，则调整管的栅极被拉低，允许更多的电流通过并增加输出电压。如果反馈电压高于基准电压，则调整管的栅极被拉高，从而限制电流并降低输出电压。

该闭环系统的动态特性基于两个主要极点：误差放大器/调整管形成的内极点和放大器输出阻抗和输出电容的等效串联电阻（ESR）形成的外部极点。输出电容及其ESR会影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应。建议使用1欧姆或更低的ESR以确保稳定性。此外，LDO 需要输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬变。较大的值可改善LDO的瞬态响应，但会增加启动时间。ADI公司的LDO设计为在使用指定电容时在指定工作条件下保持稳定。

LDO效率。提高效率是设计工程师的持续要求。这意味着静态电流（Iq）和正向压降的降低。

以智商为分母，很明显，智商越高，效率越低。今天的LDO具有相当低的Iq，为简单起见，如果Iq与ILOAD相比非常小，则在效率计算中可以忽略Iq。那么LDO效率就是（Vo/Vin）*100%。由于LDO无法存储大量未使用的能量，因此未输送到负载的功率在LDO内以热量的形式消散。

LDO提供稳定的电源电压，不受负载和线路变化、环境温度变化和时间推移的影响，电源电压和负载电压之间的差异很小，效率最高。例如，当锂离子电池从 4.2 V（完全充电）降至 3.0 V（放电）时，连接到电池的 2.8 V LDO 将在负载下保持恒定的 2.8 V（压差低于 200mV），但其效率将从充满电电池的 67% 增加到放电电池的 93%。

为了提高效率，可以将LDO连接到由高效开关稳压器产生的中间电压轨。例如，对于3.3 V开关稳压器，LDO效率将恒定为85%，整体系统效率将为81%，假设开关稳压器的效率为95%。

电路特性增强了LDO性能：使能输入允许外部控制LDO导通和关断，从而允许在多电源轨系统中按适当的顺序对电源进行排序。软启动可限制浪涌电流，并控制上电期间的输出电压上升时间。睡眠状态可最大限度地减少功耗，这在基于电池的系统中特别有用，同时允许快速开启。如果温度超过指定值，热关断将关闭 LDO。过流保护限制了LDO的输出电流和功耗。欠压闭锁在电源电压低于规定的最小值时禁用输出。图2显示了便携式设计的简化典型电源系统。

Figure 2. Typical power domains in a portable system.

Understanding Linear Regulator Requirements

LDOs for Digital Loads: Digital linear regulators, such as the ADP170 and ADP1706, are designed to support the main digital requirements of a system, usually microprocessor cores and system input/output (I/O) circuitry. LDOs for DSPs and microcontrollers have to work with good efficiency and handle high and rapidly varying currents. Newer application requirements put tremendous strain on the digital LDO, because processor cores often change clock speed to save energy. The clock-speed variation, in response to software-induced loading, translates into a demanding need for LDO load-regulation capability.

数字负载的重要特性是线路和负载调整率以及瞬态下冲和过冲。为低压微处理器内核供电时，精确的输出控制始终非常重要;监管不足会使核心闩锁。上述参数并不总是出现在数据手册中，瞬态响应图可能显示响应瞬态信号的乐观上升和下降速度。线路和负载调整率以两种方式表示：在特定负载电流下输出电压随负载变化的偏差百分比、实际 V/I 值或两者兼而有之。

为了节省能源，数字LDO采用低Iq设计以延长电池寿命，便携式系统在软件空闲时具有长时间的低功耗运行。在不活动期间，系统将进入睡眠状态，这需要LDO关断并消耗小于1 μA。当LDO处于休眠模式时，所有电路（包括带隙基准电压源）均关断。当系统返回活动模式时，需要快速导通时间，在此期间，数字电源电压不得过冲。过冲过大会导致系统闩锁，有时需要取出电池或激活主复位按钮以纠正问题并重新启动系统。

用于模拟和射频负载的 LDO：ADP121和ADP130中的低噪声和高电源抑制（PSR）对于模拟环境中使用的LDO非常重要，因为模拟器件对噪声比数字器件更敏感。模拟LDO的要求主要由无线接口要求驱动：“不会伤害接收器或发射器，并且不会在音频系统中产生爆裂声或嗡嗡声。无线连接极易受到噪声的影响，如果噪声干扰信号，接收器的有效性可能会降低。在考虑使用模拟线性稳压器时，器件必须抑制来自上游源和下游负载的噪声，同时又不增加进一步的噪声。

模拟稳压器的噪声以伏特均方根和PSR为单位，其抑制上游噪声的能力。增加一个外部滤波器或旁路电容可以降低噪声，但会增加成本和尺寸。降噪和电源噪声抑制也可以通过LDO内部设计的谨慎和独创性来实现。在选择LDO时，重要的是要查看与每个系统所需的整体性能相关的产品详细信息。

关键LDO规格和定义

注意：制造商数据表首页上的规格是简短的摘要，通常以强调器件吸引人的功能的方式呈现。关键参数通常强调典型的性能特征，只有在查阅文档正文中的完整规范和其他数据时，才能更充分地理解这些特征。此外，由于制造商在规格呈现方式上几乎没有标准化，电源设计人员需要了解用于获取电气规格表中列出的关键参数的定义和方法。系统设计人员应密切关注关键参数，例如环境和结温范围、图形信息的 X-Y 标度、负载、瞬态信号的上升和下降时间以及带宽。我们在此讨论与ADI公司LDO的表征和应用相关的重要参数。

输入电压范围：LDO的输入电压范围决定了最低可用输入电源电压。规格可能显示较宽的输入电压范围，但最低输入电压必须大于压差加上所需的输出电压。例如，150 mV 压差意味着输入电压必须高于 2.95 V，才能获得稳定的 2.8 V 输出。如果输入电压降至2.95 V以下，输出电压将降至2.8 V以下。

接地（静态）电流：静态电流 Iq 是在指定负载电流下测量的输入电流 IIN 和负载电流 IOUT 之间的差值。对于固定稳压器，Iq 与接地电流 Ig 相同。适用于可调电压稳压器，例如ADP1715，静态电流是接地电流减去来自外部电阻分压器网络的电流。

关断电流：禁用设备时消耗的输入电流。对于便携式 LDO，通常低于 1.0 μA，此规格对于便携式设备关闭时长时间待机期间的电池充电寿命非常重要。

输出电压精度：ADI公司的LDO专为高输出电压精度而设计;它们在 1°C 时经过工厂调整至±25% 以内。 输出电压精度在工作温度、输入电压和负载电流范围内指定;错误指定为 x% 最坏情况±。

线路调整率：线路调整率是输出电压随输入电压变化而变化。为了避免由于芯片温度变化而导致的不准确性，测量是在低功耗条件下或使用脉冲技术进行的。

动态负载调整率：只要负载电流变化缓慢，大多数LDO就可以轻松保持输出电压几乎恒定。然而，当负载电流快速变化时，输出电压也会发生变化。当受到负载电流变化时，输出电压的变化程度决定了负载瞬态性能。

压差：压差是指维持稳压所需的输入和输出电压之间的最小差值。也就是说，LDO可以在输入减小时保持输出负载电压恒定，直到输入达到输出电压加上压差，此时输出“压差”于稳压。压差应尽可能低，以最大限度地降低功耗并最大限度地提高效率。通常，当输出电压降至低于其标称值100 mV时，认为达到压差。负载电流和结温会影响压差。最大压差应在整个工作温度范围和负载电流范围内指定。

启动时间：启动时间定义为使能信号上升沿至VOUT达到其标称值的90%之间的时间。该测试通常在施加VIN且使能引脚从关断切换到导通的情况下进行。注意：在某些情况下，如果使能连接到VIN码，启动时间可能会大大增加，因为带隙基准电压源需要时间才能稳定下来。稳压器的启动时间对于频繁关闭和打开以节省便携式系统功耗的应用来说是一个重要的考虑因素。

限流门限：限流阈值定义为输出电压降至指定典型值的90%的负载电流。例如，3.0 V输出电压的电流限制定义为导致输出电压降至90.3 V或0.2 V的7%的电流。

工作温度范围：工作温度范围可由环境和结温指定。由于LDO散热，IC将始终在环境温度之上工作。高于环境温度的程度取决于工作条件和PCB热设计。指定最大结温 （TJ），因为长时间高于最大结温的操作可能会影响器件可靠性，统计上指定为平均失效时间 （MTTF）。

热关断：大多数LDO都有硅恒温器，用于保护IC免受热失控的影响。它们用于在结温超过指定的热关断门限时关断LDO。需要迟滞以使LDO在重新启动之前冷却。TSD很重要，因为它保护的不仅仅是LDO;过热影响的不仅仅是调节器。从LDO传导到PCB的热量（或从电路板上较热的元件传导到LDO）会随着时间的推移损坏PCB材料和焊接连接，还会损坏附近的组件，从而缩短便携式设备的使用寿命。此外，热关断会影响系统可靠性。因此，控制电路板温度（散热、冷却等）的散热设计是一个重要的系统考虑因素。

启用输入：LDO使能（以正逻辑和负逻辑提供）可打开和关闭器件。当使能电压超过逻辑高阈值时，高电平有效逻辑使能器件。当使能电压低于逻辑低门限时，低电平有效逻辑使能器件。使能输入允许对LDO导通和关断进行外部控制，这是多电源轨系统中电源排序的一个重要特性。一些LDO的启动时间要短得多，因为它们的带隙基准电压源在LDO禁用时导通，从而使LDO能够更快地导通。

欠压锁定：欠压锁定（UVLO）将确保仅当系统输入电压高于指定阈值时，才向负载提供电压。UVLO很重要，因为它只允许器件在输入电压等于或高于器件稳定运行所需的电压时上电。

输出噪声：LDO的内部带隙基准电压源是噪声源，通常以特定带宽内的微伏均方根为单位。例如，ADP121在40.10 V输出时，在100 kHz至1 kHz范围内具有2 μV rms的输出噪声。在比较数据手册规格时，指定的带宽和工作条件是重要的考虑因素。

电源抑制：PSR以分贝表示，用于衡量LDO在宽频率范围（1 kHz至100 kHz）内抑制来自输入电源的纹波的程度。在LDO中，PSR可以用两个频段来表征。频段1从直流到控制环路的单位增益频率;PSR由稳压器的开环增益设定。频段2高于单位增益频率;PSR 不受反馈回路的影响。此处PSR由输出和从输入到输出引脚的任何泄漏路径设置。选择适当的高值输出电容通常会改善后一个频段的PSR。在频段1中，ADI公司的专有电路设计减少了由于输入电压和负载变化而导致的PSR变化。为了获得最佳电源抑制，必须考虑PCB布局以减少从输入到输出的泄漏，并且接地应可靠。

最小输入和输出电容：在整个工作条件下，最小输入和输出电容应大于规定值，尤其是工作电压和温度。在选择器件时，必须考虑应用中的所有工作条件，以确保满足最小电容规格。建议使用 X7R 和 X5R 型电容器;不建议将 Y5V 和 Z5U 电容器与任何 LDO 一起使用。

反向电流保护功能：具有PMOS调整器件的典型LDO在VIN和VOUT之间有一个本征体二极管。当VIN大于VOUT时，该二极管反向偏置。如果VOUT大于VIN，本征二极管将变为正向偏置，并在VOUT之间传导电流，从而可能导致破坏性功耗。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，具有额外的电路，以防止从VOUT到VIN的反向电流。反向电流保护电路检测VOUT何时大于VIN并反转本征二极管连接的方向，使二极管反向偏置。

软启动：可编程软启动可用于降低启动时的浪涌电流和提供电压排序。对于启动时需要受控浪涌电流的应用，ADP1740/ADP1741等LDO提供可编程软启动（SS）功能。为了实现软启动，在SS至GND之间连接一个小陶瓷电容器。

结论

LDO 执行至关重要的功能。虽然概念简单，但在应用它们时需要考虑许多因素。本文回顾了LDO的基本拓扑结构，并解释了低压差稳压器在系统中的关键规格和应用。数据表包含许多有用的信息。

审核编辑：郭婷