低壓差穩(wěn)壓器（LDO）應(yīng)用簡(jiǎn)介

低壓差穩(wěn)壓器(LDO)能夠在很寬的負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個(gè)電壓差被稱(chēng)為壓降或裕量要求，在負(fù)載電流為2A時(shí)可以低至80mV。可調(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器1于1977年首次推出。現(xiàn)在，便攜設(shè)備需要使用的低壓差線性穩(wěn)壓器經(jīng)常多達(dá)20個(gè)。最新便攜設(shè)備中的許多LDO被集成進(jìn)了多功能電源管理芯片2(PMIC)——這是高度集成的系統(tǒng)，擁有20個(gè)或以上的電源域，分別用于音頻、電池充電、設(shè)備管理、照明、通信和其它功能。

然而，隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成式PMIC已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足外設(shè)電源要求。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的后期階段必須增加專(zhuān)用LDO來(lái)給各種選件供電，如相機(jī)模塊、藍(lán)牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來(lái)輔助降低噪聲，解決由電磁干擾(EMI)和印刷電路板(PCB)布線造成的穩(wěn)壓?jiǎn)栴}，并通過(guò)關(guān)閉不需要的功能來(lái)提高系統(tǒng)效率。

本文將討論基本的LDO拓?fù)?，解釋關(guān)鍵的性能指標(biāo)，并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)使用ADI公司LDO產(chǎn)品系列3的設(shè)計(jì)特征進(jìn)行示例說(shuō)明。

圖1：采用低壓差 (Vout和在額定負(fù)載電流時(shí)Vin的最低給定值之間的差值) 技術(shù)穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖。

基本的LDO架構(gòu)4。LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成，如圖1所示。輸出電流通過(guò)傳輸器件提供。傳輸器件的柵極電壓由誤差放大器控制——誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進(jìn)行比較，然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低，允許更多的電流通過(guò)，進(jìn)而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進(jìn)而限制電流流動(dòng)、降低輸出電壓。

這種閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性基于兩個(gè)主要的極點(diǎn)，一個(gè)是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點(diǎn)，另一個(gè)是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)組成的外部極點(diǎn)。輸出電容及其ESR將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對(duì)負(fù)載電流瞬態(tài)變化的響應(yīng)性能。為了確保穩(wěn)定性，推薦1Ω或以下的ESR值。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來(lái)濾除噪聲和控制負(fù)載瞬態(tài)變化。電容值越大，LDO的瞬態(tài)響應(yīng)性能越好，但會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時(shí)可以在規(guī)定工作條件下達(dá)到很好的穩(wěn)定性能。

LDO效率：提高效率一直是設(shè)計(jì)工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流(Iq)和前向壓降。

由于Iq在分母上，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當(dāng)?shù)偷腎q。當(dāng)Iq遠(yuǎn)小于ILOAD時(shí)，在效率計(jì)算公式中可以忽略Iq。這樣，LDO的效率公式可以簡(jiǎn)化為(Vo/Vin)*100%。由于LDO無(wú)法存儲(chǔ)大量的未使用能量，沒(méi)有提供給負(fù)載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。

LDO可以提供穩(wěn)定的電源電壓，這種電壓與負(fù)載和線路變化、環(huán)境溫度變化和時(shí)間流逝無(wú)關(guān)，并且當(dāng)電源電壓和負(fù)載電壓之間的壓差很小時(shí)具有最高的效率。例如，隨著鋰離子電池從4.2V(滿(mǎn)充狀態(tài))下降到3.0V(放電后狀態(tài))，與該電池連接的2.8V LDO將在負(fù)載處保持恒定的2.8V(壓差小于200mV)，但效率將從電池滿(mǎn)充時(shí)的67%增加到電池放電后的93%。

為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌，例如使用3.3V開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。LDO效率固定為85%，假設(shè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率為95%，那么系統(tǒng)總效率將是81%。

電路特性增強(qiáng)LDO性能： 使能輸入端允許通過(guò)外部電路控制LDO的啟動(dòng)和關(guān)閉，并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電。軟啟動(dòng)可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時(shí)間。睡眠狀態(tài)能使漏電流最小，這個(gè)特性在電池供電系統(tǒng)中特別有用，并且允許快速啟動(dòng)。當(dāng)LDO的溫度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉LDO。過(guò)流保護(hù)電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的最小值時(shí)禁止輸出。圖2是用于便攜設(shè)計(jì)的典型電源系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖2：便攜系統(tǒng)中的典型電源域。