选择 LDO 的方法

选择 LDO 的方法

便携应用在基本条件之外提出更多要求

　 在选择低压降线性调节器(LDO) 时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。但是，便携式应用需要考虑更多问题。接地电流或静态电流 （IGND 或 IQ）、电源波纹抑止比 (PSRR)、噪声与封装大小通常是为便携式应用决定最佳 LDO 选择的要素。

输入、输出以及降低电压
选择输入电压范围可以适应电源的LDO。下表列出了便携式设备所采用的、流行的电池化学物质的电压范围。

在确定 LDO 是否能够提供预期输出电压时，需要考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即 VIN > VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的电压以下，则我们说 LDO 出现"压降"，输出等于输入减去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以负载电流。

需要注意压降时的性能变化。驱动旁路晶体管的误差放大器完全打开或者出于"待发状态"(cocked)，因此不产生任何环路增益。这意味着线路与负载调节很差。另外，PSRR 在压降时也会显著降低。

选用可提供预期输出电压的 LOD 作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项，外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。利用可调 LDO 可以设置输出，以提供内部参考电压，其一般为 1.2V 左右，只需把输出连接到反馈引脚。请与厂商确认是否具备该功能。

负载电流要求
通考虑负载需要的电流量并据此选择 LDO。请注意：额定电流为比如 150mA 的 LDO 可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范，或者咨询有关厂商。

电池电压

封装与功耗
便携式应用本质存在空间限制，因此解决方案的大小至关重要。裸片可以最小化尺寸但是缺乏封装的诸多优势，如：保护、行业标准以及能够被现有装配架构轻松采用等特性。芯片级封装 (CSP) 能在提供裸片的尺寸优势的同时还可以带来封装的许多优势。

在无线手持终端市场需求的推动下，CSP产品正不断推陈出新。例如，采用0.84 x 1.348-mm CSP的德州仪器 (TI) 200mA RF LDO（参见图1）预计将于9月份上市，其采用可实现轻松装配以及高板级可靠性的技术。

其他小型封装包括流行的3x3mm SOT-23、小型2.13x2.3mm SC-70以及亚1毫米高度封装 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及无引线四方扁平封装 (QFN)。由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫，QFN 因而可提供更好的散热特性。

请注意不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 进行计算。一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。但是QFN封装可以提供极佳的散热性能，这种性能完全可与尺寸是其1.5～2倍的众多封装相媲美。

LDO拓扑与IQ
为了最大化电池的运行时间，需要选择相对于负载电流来说静态电流IQ较低的LDO。例如，考虑到IQ 只增加0.02％的微不足道的电池消耗，在100mA负载情况下，一般采用200μA的IQ比较合理。

另外，还需要注意的是，由于电池放电特性，某些情况下压降会对电池寿命产生决定性影响。由于碱性电池放电速度较慢，其电源电压在压降情况下可以提供比NiMH电池更多的容量。必须在 IQ 和压降之间仔细权衡，以便在电池寿命期间获得最大的容量，因此，较低的IQ并不能始终保证长电池寿命。

需要注意IQ 在双极拓扑中的表现。IQ 不但随负载电流变化很大，而且在压降情况下会有所增加。

另外，需要注意在数据表中对IQ 是如何规定的。某些器件是在室温条件下规定的，或者只提供显示IQ与温度关系的典型曲线。尽管这些情况有用，但是并不能保证最大的静态电流。如果IQ 比较重要，则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证IQ 的器件，并且需要选择MOS类旁路器件。

输出电容器
典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。请注意，利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。请注意，输出电容器的等效串联电阻 (ESR) 会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为10豪欧量级，而钽电容器ESR在100豪欧量级。另外，许多钽电容器的ESR随温度变化很大，会对LDO性能产生不利影响。如果温度变化不大，而且电容器和接地之间串联适当的电阻（一般200m），可以取代陶瓷电容器而使用钽电容器。需要咨询LDO厂商以确保正确的实施。

RF与音频应用
最后，考虑便携式应用中所采用的、专用电路的功率要求。

RF电路（包括LNA（低噪声放大器）、升压/降压转换器、混频器、PLL、VCO、IF放大器和功率放大器），需要采用具有低噪声和高PSRR的LDO。在设计现代收发系统时应非常小心，以保证低噪声和高线性。

电源噪声会增加VCO的相位噪声，而且会进入接收或发送放大器。在W-CDMA等流行手机技术对频谱再生和邻道功率提出严格要求的情况下，进入放大器的基/栅或收集器/漏极电源的极少量电源噪声就会产生邻道噪声或假信号。

为了满足手机、MP3、游戏以及多媒体PDA应用等便携式设备中的音频需求，可能需要300～500mA的LDO。而且，为了获得良好的音频质量，这种LDO在音频频率（20Hz~20kHz）时应该是低噪声并可提供高PSRR。

线性稳压器件补偿和波特图分析

一个包含三个极点和一个零点的波特图将用来分析增益和相位裕度。假设直流增益为80dB，第一个极点发生在100Hz处。在此频率时，增益曲线的斜度变为－20dB/十倍频程。1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程，到10kHz处增益曲线又变成－20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为－40dB/十倍频程。

     也可以看到单位增益点（0dB）交点频率是1MHz。0dB频率通常称为回路带宽（loop bandwidth）。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。根据分布的零极点计算相移的总和。在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：

    极点相移＝ －arctan(f/fp)

在任意频率（f）上的零点相移，可以通过下式计算获得：

    零点相移＝ －arctan(f/fz)

此回路稳定么？为了回答这个问题，我们只需要知道0dB时的相移（是1MHz）。根本无需复杂的计算。

     前两个极点和第一个零点分布使相位从－180°变到＋90°，最终导致网络相位转变到－90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点。使用零点相移公式，该极点产生了－84°的相移（在1MHz时）。加上原来的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是说相位裕度是6°）。该回路可能引起振荡。

 NPN 稳压器补偿

NPN 稳压器的导通管的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗。也就意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于NPN稳压器没有固有的低频极点，所以它使用了一种称为主极点补偿（dominant pole compensation）的技术。此时，在IC的内部集成了一个电容，该电容在环路增益的低频端添加了一个极点。

 NPN稳压器的主极点（P1）一般设置在100Hz处。100Hz处的极点将增益减小为－20dB/十倍频程直到3MHz处的第二个极点（P2）。在P2处，增益曲线的斜率又增加了－20dB/十倍频程。P2点的频率主要取决于NPN功率管及相关驱动电路，因此有时称此点为功率极点（power pole）。因为P2点在回路增益为－10dB处出现，也就表示了0dB频率处（1MHz）的相位偏移会很小。

     为了确定稳定性，只需要计算0dB频率处的相位裕度：

    第一个极点（P1）会产生－90°的相位偏移，但是第二个极点（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz处）。也就是说0dB点处的相位偏移为－108°，相位裕度为72°（非常稳定）。应该提起注意的是，回路很显然是稳定的。因为需要两个极点才有可能使回路要达到－180°的相位偏移（不稳定点），而P2又分布在高频位置，它在0dB处的相位偏移就很小了。

 LDO 稳压器的补偿

    LDO稳压器中的PNP导通管的接法为共射方式（common emitter）。它相对共集电极方式有更高的输出阻抗。由于负载阻抗和输出容抗的影响在低频程处会出现低频极点（low－frequency pole）。此极点（称为负载极点（load pole）用Pl表示）的频率由下式获得：

F(Pl) ＝1/(2π×Rload×Cout)。从此式可知，不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。

 为了解释为什么会这样，先假设一个5V/50mA的LDO稳压器有下面的条件：

在最大负载电流时，负载极点（Pl）出现的频率为：

Pl＝1/(2π×Rload×Cout)＝1/(2π×100×10-5)＝160Hz

假设内部的补偿在1kHz处添加了一个极点。由于PNP功率管和驱动电路的存在，在500kHz处会出现一个功率极点（Ppwr）。

假设直流增益为80dB。Rl ＝100Ω（在最大负载电流时的值），Cout＝10uF。

      可以看出回路是不稳定的：极点PL和P1每个都会产生－90°的相移。在0dB处（此例为40kHz），相移达到了－180°为了减少负相移（阻止振荡），在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生＋90°的相移，它会抵消两个低频极点的部分影响。基本上所有的LDO稳压器都需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容的一个特性：等效串联电阻（ESR）获得的。

 使用ESR补偿LDO

等效串联电阻（ESR）是每个电容共有的特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联。输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，可以用来减少负相移。零点出现的频率值与ESR和输出电容值直接相关：Fzero＝ 1/(2π×Cout×ESR)。使用上一节的例子，我们假设输出电容值Cout＝10uF而且输出电容的ESR＝1Ω。则零点发生在16kHz。

   添加此零点如何使不稳定系统变为稳定系统：

      回路的带宽增加了所以0dB的交点频率从30kHz移到了100kHz。到100kHz处该零点总共增加了＋81°相移。也就是减少了PL和P1造成的负相移。因为极点Ppwr处在500kHz，在100kHz处它仅增加了－11°的相移。累积所有的零、极点，0dB处的总相移现在为－110°。也就是有＋70°的相位裕度，系统非常稳定。这也就解释了具有正确ESR值的输出电容是可以产生零点来稳定LDO系统的