分析系统中成功运用低压差稳压器案例

　　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规定的输出电压，而且输入和输出电压之差可以很小。LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

　　更新的发展使用 MOS 功率晶体管，它能够提供的压降电压。使用 功率MOS，通过稳压器的电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

　　然而，随着便携系统的快速发展，集成式PMIC已经无法满足外设电源要求。在系统开发的后期阶段必须增加专用LDO来给各种选件供电，如相机模块、蓝牙、WiFi和其它连接模块。LDO还能用来辅助降低噪声，解决由电磁干扰（EMI）和印刷电路板（PCB）布线造成的稳压问题，并通过关闭不需要的功能来提高系统效率。

　　本文将讨论基本的LDO拓扑，解释关键的性能指标，并展示低压差稳压器在系统中的应用。同时使用ADI公司LDO产品系列的设计特征进行示例说明。

　　图1：采用低压差 （Vout和在额定负载电流时Vin的给定值之间的差值） 技术稳定输出电压的LDO框图。

　　基本的LDO架构。LDO由参考电压、误差放大器、反馈分压器和传输晶体管组成，如图1所示。输出电流通过传输器件提供。如果反馈电压低于参考电压，传输晶体管的栅极电压将被拉低，允许更多的电流通过，进而提高输出电压。如果反馈电压高于参考电压，传输晶体管的栅极电压将被拉高，进而限制电流流动、降低输出电压。

　　LDO是低压降的意思，这有一段说明：低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA（TI的TPS78001达到Iq=0.5uA），电压降只有100mV（TI量产了号称0.1mV的LDO）。 LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力， 输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积

　　这种闭环系统的动态特性基于两个主要的极点，一个是由误差放大器/传输晶体管组成的内部极点，另一个是由放大器的输出阻抗和输出电容的等效串联电阻（ESR）组成的外部极点。输出电容及其ESR将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。另外，LDO要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化。电容值越大，LDO的瞬态响应性能越好，但会延长启动时间。ADI公司的LDO在使用规定电容时可以在规定工作条件下达到很好的稳定性能。

　　LDO效率：提高效率一直是设计工程师的永恒追求，而提高效率的途径是降低静态电流（Iq）和前向压降。

　　由于Iq在分母上，因此很明显Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相当低的Iq。当Iq远小于ILOAD时，在效率计算公式中可以忽略Iq。这样，LDO的效率公式可以简化为（Vo/Vin）*100%。由于LDO无法存储大量的未使用能量，没有提供给负载的功率将在LDO中以热量形式消耗掉。

　　LDO可以提供稳定的电源电压，这种电压与负载和线路变化、环境温度变化和时间流逝无关，并且当电源电压和负载电压之间的压差很小时具有的效率。例如，随着锂离子电池从4.2V（满充状态）下降到3.0V（放电后状态），与该电池连接的2.8V LDO将在负载处保持恒定的2.8V（压差小于200mV），但效率将从电池满充时的67%增加到电池放电后的93%。

　　为了提高效率，LDO可以连接到由高效率开关稳压器产生的中间电压轨，例如使用3.3V开关稳压器。LDO效率固定为85%，假设开关稳压器效率为95%，那么系统总效率将是81%。

　　电路特性增强LDO性能： 使能输入端允许通过外部电路控制LDO的启动和关闭，并允许在多电压轨系统中按正确的顺序加电。当LDO的温度超过规定值时，热关断电路将关闭LDO。过流保护电路可以限制LDO的输出电流和功耗。欠压闭锁电路可以在供电电压低于规定的值时禁止输出。图2是用于便携设计的典型电源系统简图。

　　图2：便携系统中的典型电源域。

　　理解线性稳压器要求

　　LDO用于数字负载：像ADP170和ADP1706这类数字线性稳压器设计用于支持系统的主要数字要求，通常是微处理器内核和系统输入/输出（I/O）电路。为了响应软件导致的负载变化而发生的时钟频率变化对LDO的负载调整功能提出了严格的要求。

　　数字负载的重要特征有线路调整率和负载调整率，以及瞬态下冲和过冲。数据手册中并不总是提供上述参数，瞬态响应图形也许表现出对瞬态信号不错的上升和下降响应速度。线路和负载调整率有两种方式表述：一种是输出电压随负载变化的偏离百分比，实际的V/I值，或者在规定负载电流条件下同时用两者表示。

　　如果输入电压和输出电压很接近，是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量後有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。

　　为了节省功耗，数字LDO需要具有较低的Iq以延长电池寿命。便携系统有很长时间软件处于空闲状态，这段时间系统处于低功耗状态。在不活动时，系统将进入睡眠状态——要求LDO关闭，消耗电流不到1 ?A。当LDO处于睡眠模式时，所有电路（包括带隙参考）都将被关闭。当系统回到活动模式时，要求快速启动 ——在此期间数字供电电压必须不产生过高的过冲。过高的过冲将导致系统闭锁，有时需要拔出电池或按下主复位按钮才能解决问题，并重启系统。

　　LDO用于模拟和射频负载： 像ADP121和ADP130具有的低噪声和高电源抑制（PSR）性能对模拟环境中使用的LDO来说非常重要，因为模拟器件比数字器件对噪声更敏感。模拟LDO需求的主要来自无线接口要求——不损伤接收器或发送器，并在音频系统中不产生爆破音或嗡嗡声。无线连接非常容易受噪声的影响，如果噪声干扰到信号，接收器的效果将大打折扣。在考虑模拟线性稳压器时，器件要能抑制来自上游电源和下游负载的噪声，而且自身不增加噪声，这一点很重要。

　　模拟稳压器噪声的测量值用电压有效值（rms）和PSR表示，后者代表了抑制上游噪声的能力。增加额外的滤波器或旁路电容可以减小噪声，但增加了成本和体积。仔细和灵活的LDO内部设计也有助于噪声降低和电源噪声抑制。在选择LDO时，对涉及每个系统所需的总体性能的产品细节进行检查很重要。

　　关键的LDO指标和定义

　　LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。系统设计师应该密切关注关键参数，如环境和结点温度范围、图形信息中的X-Y刻度值 、负载、瞬态信号的上升和下降时间以及带宽。下面讨论与ADI公司LDO的表征和应用有关的一些重要参数。

　　输入电压范围：LDO的输入电压范围决定了的可用输入电源电压。指标可能提供宽的输入电压范围，但输入电压必须超过压降加上想要的输出电压值。如果输入电压低于2.95V，输出电压将低于2.8V。

　　接地（静态）电流：静态电流Iq就是输入电流IIN和负载电流IOUT之间的差值，在规定的负载电流条件下测量。对于可调稳压器，如ADP171，静态电流等于接地电流减去来自外部分压电阻网络中的电流。

　　关断电流：这是指设备禁用时LDO消耗的输入电流，对便携LDO来说通常低于1.0 uA。这个指标对于便携设备关机时长待机期间的电池寿命来说很重要。

　　输出电压：ADI公司的LDO具有很高的输出电压，在工厂制造时就被调整到±1%之内（25℃）。输出电压在工作温度、输入电压和负载电流范围条件下加以规定。误差规定为±x%差情况。

　　线路调整率：线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。为了避免由于芯片温度变化引起的误差，线路调整率的测量通常在低功耗状态或使用脉冲技术进行。

　　动态负载调整率：只要负载电流缓慢变化，大多数LDO都能轻松地保持输出电压接近恒定不变。然而，当负载电流快速改变时，输出电压也将发生改变。当负载电流发生变化时输出电压会改变多少就决定了负载瞬态性能。

　　压差：压差指保持电压稳定所需的输入电压和输出电压之间的差值。直到输入电压接近输出电压加上压差，在这个点输出电压将“失去”稳定。压差应尽可能小，以使功耗，效率。当输出电压降低到低于标称值 100mV的电压时，通常被认为达到了这个压差。负载电流和结点温度会影响这个压差。压差值应在整个工作温度范围和负载电流条件下加以规定。

　　启动时间：启动时间被定义为使能信号的上升沿到VOUT接近其标称值的90%时的时间。这个测试通常是接上VIN、使能引脚从断开到接通的触发条件下进行测量。在稳压器需要频繁关闭和启动以节省功耗的便携系统中，稳压器的启动时间是一个重要的考虑因素。

　　限流阈值：限流阈值被定义为输出电压下降到给定典型值的90%时的负载电流。例如，3V输出电压的限流阈值被定义为造成输出电压下降到3.0V的90%或2.7V时的负载电流。

　　工作温度范围：工作温度范围可以由环境温度和结点温度加以规定。由于LDO会发热，因此IC的工作温度总是超过环境温度，因为在结点温度之上工作过长的时间会影响器件的可靠性——统计学上称为平均故障时间（MTTF）。

　　热关断（TSD）：大多数LDO具有自动温度调节装置，用于防止IC发生热失控。

　　使能输入：LDO使能信号以正和负逻辑的形式提供，用于关闭和启动LDO。使能输入允许外部控制LDO的关闭和启动，这是多电压轨系统中调整电源上电顺序的一个重要特性。一些LDO具要相当短的启动时间，因为它们的带隙参考在LDO禁用时是打开的，允许LDO更快地启动。

　　欠压闭锁：欠压闭锁（UVLO）可以确保只有在系统输入电压高于规定阈值时才向负载输出电压。

　　输出噪声：LDO的内部带隙电压参考是噪声源，通常用给定带宽范围内的毫伏有效值表示。例如，ADP121在VOUT为1.2V时，在10kHz至100kHz的带宽范围内有40?V rms的输出噪声。在比较数据手册指标时，给定的带宽和工作条件是重要的考虑因素。

　　电源抑制比：电源抑制比（PSRR）是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值，常用分贝表示。对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。为了获得的电源抑制性能，PCB版图设计时必须考虑减小从输入到输出的泄漏，而且要有鲁棒性的接地性能。

　　电源抑制比与其它的失衡量一样，参数规范中的电源抑制比也是针对运算放大器的输入而言的。 运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪声。而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。 一般定义它为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。因为现在的运算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，对供电电源的要求也越来越高。

　　输入和输出电容：输入和输出电容应大于在各种工作条件 （尤其是工作电压和温度） 下的规定值。在器件选型时必须考虑应用中的各种工作条件，确保满足的电容规格。

　　反向电流保持特性：采用PMOS传输管的典型LDO在VIN和VOUT之间有一个本征体二极管。当VIN大于VOUT时，这个二极管将处于反偏状态。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，有额外的电路防止从VOUT到VIN的反向电流流动。反向电流保护电路检测到VOUT超过VIN时，将反转本征二极管连接的方向，使二极管仍处于反偏状态。

　　软启动：可编程软启动有助于减小启动时的浪涌电流和提供上电顺序。对于启动时要求浪涌电流受控的应用，有些LDO（如ADP1740/ADP1741）提供了可编程的软启动（SS）功能。为了实现软启动，在SS和地引脚之间需要连接一个小的陶瓷电容。

　　结束语

　　LDO是低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容……虽然概念上很简单，但在应用时需要考虑许多方面的因素。本文介绍了基本的LDO拓扑，解释了一些关键指标和低压差稳压器在系统中的应用。在数据手册中还包含了许多有用的信息。