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ADI:了解低压差稳压器(LDO)完成体系优化规划

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 低压差稳压器(LDO)看似简单,但可提供重要功

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低压差稳压器(LDO)看似简略,但可供给重要功用,例如将负载与不洁净的电源阻隔开来或许构建低噪声电源来为灵敏电路供电。

本简略教程介绍了一些常用的LDO 相关术语,以及一些根本概念,如压差、裕量电压、静态电流、接地电流、关断电流、功率、直流输入电压和负载调整率、输入电压和负载瞬态呼应、电源按捺比(PSRR)、输出噪声和精度。一起,为了便利了解,文中选用了示例和插图。

规划过程中一般到后期才会进行LDO 选型,而且很少进行剖析。本文所述的概念将使规划人员可以依据体系要求挑选最佳的LDO。

压差

压差(VDROPOUT)是指输入电压进一步下降而构成LDO 不再能进行调理时的输入至输出电压差。在压差区域内,调整元件效果类似于电阻,阻值等于漏极至源极导通电阻(RDSON)。压差用RDSON和负载电流标明为:

    VDROPOUT = ILOAD × RDSON

RDSON包含调整元件电阻、片内互连电阻、引脚电阻和线焊电阻,并可经过LDO 的压差进行预算。例如,选用WLCSP 封装时,ADP151在200 mA负载下的最差状况压差为200 mW,因此RDSON约为1.0 Ω。图1 所示为LDO 的原理示意图。在压差形式下,可变电阻挨近于零。LDO 无法调理输出电压,因此输入电压和负载调整率、精度、PSRR 和噪声等其他参数都没有意义。

Figure 1
图1. LDO 的原理示意图

图2 显现了3.0 VADM7172LDO的输出电压与输入电压之间的联系。2 A 时的压差一般为172 mW,因此RDSON约为86 mΩ。压差区域从约3.172 V 的输入电压下降到2.3 V。低于2.3 V 时,该器材不能正常作业。负载电流越小,压差也会按份额下降:在1 A时,压差为86 mV。低压差可最大程度地进步调理器的功率。

Figure 2
图2. 3.0 V ADM7172 LDO的压差区

裕量电压

裕量电压是指LDO 满意其标准所需的输入至输出电压差。数据手 册一般将裕量电压作为指定其他参数时所用的条件。裕量电压一般约为400 mV 至500 mV,但有些LDO 需求高达1.5 V 的裕量电压。裕量电压不应与压差混杂,因为只有当LDO 在压差形式下作业时这两者才相同。

静态电流和接地电流

静态电流(IQ)是指当外部负载电流为零时为LDO 的内部电路供电所需的电流。它包含带隙基准电压源、差错放大器、输出分压器以及过流和过温检测等电路的作业电流。静态电流由拓扑结构、输入电压和温度确认。

    IQ = IIN(空载时)

当输入电压在2 V 和5.5 V 之间改变时,ADP160 LDO 的静态电流简直稳定不变,如图3 所示。

Figure 3
图3. ADP160 LDO的静态电流与输入电压之间的联系

接地电流(IGND)是指输入电流与输出电流之差,而且必定包含静态电流。低接地电流可最大程度地进步LDO 功率。

    IGND= IIN– IOUT

图4 显现了ADP160 LDO 的接地电流改变与负载电流之间的联系。

Figure 4
图4. ADP160 LDO接地电流与负载电流之间的联系

关于高功能CMOS LDO,接地电流一般远小于负载电流的1%。接地电流随负载电流的增加而增加,因为PMOS 调整元件的栅极驱动有必要增加,以补偿因其RON 引起的压降。在压差区域内,在驱动器级开端饱满时,接地电流也会增加。关于要求具有低功耗或小偏置电流的运用而言,CMOS LDO 至关重要。

关断电流

关断电流是指输出禁用时LDO 耗费的输入电流。参阅电路和差错放大器在关断形式下都不上电。较高的漏电流会导致关断电流随温度升高而增加,如图5 所示。

Figure 5
图5. ADP160 LDO关断电流与温度之间的联系

功率

LDO 的功率由接地电流和输入/输出电压确认:

    功率 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

若需取得较高的功率,有必要最大程度地下降裕量电压和接地电流。此外,还有必要最大程度地缩小输入和输出之间的电压差。输入至输出电压差是确认功率的内涵要素,与负载条件无关。例如,选用5 V 电源供电时,3.3 V LDO 的功率从不会超越66%,但当输入电压降至3.6 V 时,其功率将增加到最高91.7%。LDO 的功耗为(VIN – VOUT) × IOUT.

直流负载调整率

负载调整率衡量LDO 在负载条件改变时仍坚持额外输出电压的才能。负载调整率界说如下(如图6 所示):

    负载调整率 = ∆VOUT/∆IOUT

Figure 6
图6. ADM7172 LDO输出电压和负载电流之间的联系

直流输入电压调整率

输入电压调整率是衡量LDO 在输入电压改变时仍坚持规则输出 电压的才能。输入电压调整率界说为:

    输入电压调整率 = ∆VOUT/∆VIN

图7 显现了不同负载电流条件下ADM7172的输出电压与输入电压之间的联系图。输入电压调整率跟着负载电流增加而变差,原因是LDO 的总环路增益不断下降。此外,LDO 的功耗也随输入至输出电压差增加而增加,这会导致结温升高而使带隙电压和内部失调电压下降。

Figure 7
图7. ADM7172 LDO输出电压和输入电压之间的联系

直流精度

全体精度会考虑输入电压和负载调整率、基准电压漂移和差错放大器电压漂移的影响。稳压电源上的输出电压改变首要是基准电压源和差错放大器的温度改变构成的。假如运用分立电阻来设置输出电压,这些电阻的容差或许是影响全体精度的最首要要素。输入电压和负载调整率与差错放大器失调对全体精度的影响一般为1%至3%。

例如,可利用下列作业特性来核算3.3 V LDO 在0°C 至125°C 温度规模内的总精度:电阻温度系数为±100 ppm/°C,采样电阻容差为±0.25%,因负载调整和输入电压调整而引起的输出电压改变分别为±10 mV 和±5 mV,而且基准电压源的精度为1%。

   温度导致的差错 = 125°C × ±100 ppm/°C = ±1.25%
   采样电阻导致的差错 = ±0.25%
   负载调整率导致的差错 = 100% × (±0.01 V/3.3 V) = ±0.303%
   输入电压调整率导致的差错 = 100% × (±0.005 V/3.3 V) = ±0.152%
   基准电压源导致的差错 = ±1%

最差状况差错假定一切差错都沿同一方向改变。

   最差状况差错 = ±(1.25% + 0.25% + 0.303% + 0.152% + 1%) = ±2.955%

典型差错假定随机改变,因此选用此差错的平方根(rss)。

   典型差错 = ±√(1.252 + 0.252 + 0.3032 + 0.1522 + 12) = ±1.655%

LDO 从不会超越最差状况差错,而rss 差错是最有或许的差错。差错散布会以rss 差错为中心并扩展到在尾部包含最差状况差错。

负载瞬态呼应

负载瞬态呼应是指负载电流阶跃改变时的输出电压改变。它与输出电容值、电容的等效串联电阻(ESR)、LDO 操控环路的增益带宽以及负载电流改变的巨细和速率有关。

负载瞬态的改变速率会对负载瞬态呼应发生显着影响。假如负载瞬态十分缓慢,比方100 mA/μs,LDO 的操控环路或许可以盯梢该改变。可是,假如负载瞬态较快,环路无法进行补偿,则或许会呈现反常行为,例如因低相位裕量而导致过大的振铃。

图8 显现了ADM7172 以3.75 A/μs 的改变速率对1 mA 至1.5 A 负载瞬态的呼应曲线。1.5 μs 的0.1%康复时间和最小振铃标明其具有杰出的相位裕量。

Figure 8
图8. ADM7172 负载瞬态呼应。400 ns 内发生1 mA 至1.5 A 的负载阶跃(红线)。输出电压(蓝线)

线路瞬态呼应

输入电压瞬态呼应是指输入电压阶跃改变时的输出电压改变。它与LDO 操控环路的增益带宽以及输入电压改变的巨细和速率有关。

图9 显现了ADM7150 对2 V 输入电压阶跃改变的呼应。输出电压差错也显现了环路带宽和PSRR 的特性(拜见下一部分)。对应于1.5 μs 内的2 V 改变,输出电压改变约为2 mV,标明约100 kHz时PSRR 约为60 dB。

相同,跟在负载瞬态下一样,输入电压的改变速率也对输入瞬态呼应有较大的影响。当输入电压缓慢改变(在LDO 的带宽内只呈现一个洼陷)时,可躲藏振铃或其他反常行为。

Figure 9
图9. ADM7150 线路瞬态呼应。1.5 μs 内发生5 V 至7 V 的线路阶跃(红线)。输出电压(蓝线)

电源按捺

简略地说,PSRR 衡量电路按捺电源输入端呈现的外来信号(噪声和纹波),使这些搅扰信号不至于损坏电路输出的功能。PSRR 界说为:

   PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其间,VEIN 和VEOUTT 分别是输入端和输出端呈现的外来信号。

关于ADC、DAC 和放大器等电路,PSRR 适用于为内部电路供电的输入端。关于LDO,输入电源引脚为内部电路供电的一起也为输出电压供电。PSRR 具有与直流输入电压调整率相同的联系,但包含整个频谱。

100 kHz 至1 MHz 规模内的电源按捺十分重要,因为LDO 常常跟高效的开关电源合作运用来为灵敏的模仿电路供电。

LDO 的操控环路往往是确认电源按捺功能的首要要素。一起大容量、低ESR 的电容也对电源按捺功能十分有用,特别是在频率超越操控环路增益带宽的状况下。

PSRR 与频率的联系

PSRR 不是经过单一值来界说,因为它与频率相关。LDO 由基准电压源、差错放大器,以及MOSFET 或双极性晶体管等功率调整元件组成。差错放大器供给直流增益以便调理输出电压。差错放大器的沟通增益特性在很大程度上决议了PSRR。典型LDO 在10 Hz 时可具有高达80 dB 的PSRR,但在数十kHz 时则可降至仅20 dB。

图10 显现了差错放大器的增益带宽和PSRR 之间的联系。这是一个简化的示例,图中疏忽了输出电容和调整元件的寄生效应。PSRR 为开环增益的倒数,直到3 kHz 时增益开端下降停止。然后,PSRR 以20 dB/十倍频程的速率下降,直到3 MHz 时到达0 dB。

Figure 10
图10. LDO 增益与PSRR 的简化联系图

图11 显现了用来表征LDO PSRR 的三个首要频域:基准电压PSRR 区、开环增益区和输出电容区。基准电压PSRR 区取决于参阅放大器的PSRR 和LDO 的开环增益。抱负状况下,参阅放大器需与电源扰动彻底阻隔,但实际上,参阅放大器只需按捺最高数十Hz 的电源噪声,因为差错放大器反应电路能保证在低频时具有高PSRR。

Figure 11
图11. 典型LDO PSRR 与频率的联系

在大约10 Hz 以上的第二区中,PSRR 首要由LDO 的开环增益决议。此区中的PSRR 取决于差错放大器的增益带宽(最高为单位增益频率)。在低频时,差错放大器的沟通增益等于直流增益。增益坚持不变,直至到达3 dB 截止频率。在高于3 dB 截止频率下,差错放大器的沟通增益跟着频率增加而下降,速率一般为20 dB/十倍频程。

在差错放大器的单位增益频率以上,操控环路的反应对PSRR 没有影响,此刻PSRR 由输出电容和输入与输出电压之间的任何寄生效应确认。在这些频率下,PSRR 首要受输出电容的ESR,ESL以及电路板布局布线的影响。为了下降任何高频谐振的影响,有必要特别注意布局布线。

PSRR 与负载电流的联系

负载电流影响差错放大器反应环路的增益带宽,因此也会影响PSRR。在低负载电流下(一般小于50 mA),调整元件的输出阻抗很高。因为操控环路的负反应,LDO 的输出近乎是抱负的电流源。输出电容和调整元件构成的极点呈现在相对较低的频率,因此,PSRR 在低频条件下往往会进步。低电流时输出级的高直流增益往往也会进步差错放大器单位增益点以下各频率的PSRR。

在高负载电流下,LDO 输出不能近似成一个抱负电流源。调整元件的输出阻抗会下降,然后导致输出级的增益下降,DC 至反应环路单位增益频率之间的PSRR 会有所下降。当负载电流增加时,PSRR 会急剧下降,如图12 所示。当负载电流从400 mA 增加到800 mA 时,ADM7150的PSRR 在1 kHz 时下降了20 dB。

输出级带宽随输出极点频率的升高而增加。在高频条件下,PSSR应会随带宽增加而进步,但实际上,因为总环路增益下降,高频PSRR 或许不会进步。一般来说,轻载时的PSRR 优于重载时。

Figure 12
图12. ADM7150 电源按捺与频率的联系(VOUT = 5 V,VIN = 6.2 V)/figcaption>

PSRR 与LDO 裕量的联系

PSRR 也与输入到输出电压差(即裕量)有关。关于固定裕量电压,PSRR 跟着负载电流的增加而下降;这在高负载电流和小裕量电压时特别显着。图13 显现了5 V ADM7172 在2 A 负载下PSRR 与裕量电压之间的联系差异。

跟着负载电流增加,调整元件(ADM7172 的PMOSFET)脱离饱满状态,进入线性作业区,其增益相应地下降。这导致LDO的总环路增益下降,因此PSRR 下降。裕量电压越小,增益降幅越大。在某些小裕量电压下,操控环路底子没有增益,PSRR 简直会降至0。

导致环路增益下降的另一个要素是调整元件的非零电阻RDSON。负载电流在RDSON 上引起的任何压降都会导致调整元件有用裕量下降。例如,假如调整元件是一个1 Ω 的器材,当负载电流为200 mA时,裕量将下降200 mV。当LDO 在1 V 或更低的裕量电压下作业时,预算PSRR 时有必要考虑此压降。

在压差形式下,PSRR 是由RDSON 和输出电容构成的极点决议的。在十分高的频率下,PSRR 会受输出电容ESR 与RDSON 的比值约束。

Figure 13
图13. ADM7172 电源按捺与裕量的联系(VOUT = 5 V,2 A 负载电流)

比较LDO PSRR 标准

比较LDO 的PSRR 标准时,应保证丈量是在相同的测验条件下进行的。许多老式LDO 仅指定120 Hz 或1 kHz 时的PSRR,而未提及裕量电压或负载电流。至少,电气技能标准表中的PSRR 应针对不同的频率列出。为使比较有意义,最好应运用不同负载和裕量电压下的PSRR 典型作业功能曲线。

输出电容也会影响高频时的LDO PSRR。例如,1 μF 电容的阻抗是10 μF 电容的10 倍。在频率高于差错放大器的单位增益交越频率时,电源噪声的衰减与输出电容有关,此刻电容值就特别重要。比较PSRR 数据时,输出电容的类型和值有必要相同,不然比较无效。

输出噪声电压

输出噪声电压是指在稳定输出电流和无纹波输入电压条件下,给定频率规模(一般为10 Hz 或100 Hz 至100 kHz)上的RMS 输出噪声电压。LDO 的首要输出噪声源是内部基准电压源和差错放大器。现代LDO 选用数十nA 的内部偏置电流作业,以便完成15μA或更低的静态电流。这些低偏置电流要求运用高达GΩ 级的偏置电阻。输出噪声的典型规模为5 μ V r ms 至100 μV rms。图14 显现了ADM7172 输出噪声与负载电流之间的联系。

ADM7172 等部分LDO 可运用外部电阻分压器来设置初始设定点以上的输出电压,使初始设定为1.2 V 的器材可供给3.6 V 输出电压。关于这样的运用,可向该分压器增加降噪网络,以便使输出噪声康复到挨近初始固定电压的水平。

Figure 14
图14. ADM7172 输出噪声与负载电流之间的联系

LDO 输出噪声的另一种标明方法是噪声频谱密度。在宽频率规模内制作给定频率下1 Hz 带宽上的rms 噪声曲线图,然后运用该信息来核算给定频率带宽下的rms 噪声。图15 显现了ADM7172 在1 Hz 到10 MHz 规模内的噪声频谱密度。

Figure 15
图15. ADM7172 噪声频谱密度与负载电流之间的联系

定论

LDO 看似简略实则十分重要。若要正确运用这些LDO 并取得最佳成果,有必要归纳考虑许多要素。对常用LDO 术语有个根本了解后,规划工程师便可有用运用数据手册来确认关于规划而言最为重要的参数。

参阅电路

线性稳压器

Marasco, Ken. "在体系中成功运用低压差稳压器." 模仿对话,第43 卷第3 期,2009 年。

Morita, Glenn and Luca Vassalli. "LDO 的运转窘境:低裕量和最小 负载." 模仿对话,第48 卷第3 期,2014 年。

Morita, Glenn. "可调理输出低压差稳压器的降噪网络" 模仿对话,第48 卷第1 期,2014 年。

Morita, Glenn. "低压差调理器——为什么挑选旁路电容很重要." 模仿对话,第45 卷第1 期,2011 年。

Patoux, Jerome. "低压差稳压器" 模仿对话 ,第41 卷第2 期, 2007 年。

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