淺談低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的壓差和功耗

摘要：本文論述了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本原理和壓差（Dropout）功耗（Power Dissipation）

Abstract:This paper discusses Low Dropout Line Regulator（LDO）fundamental principle and Dropout，Power Dissipation

關(guān)鍵詞：低壓差線性穩(wěn)壓器, 壓差，功耗

KeyWords：LDO, Dropout，Power Dissipation

便攜產(chǎn)品電源設(shè)計需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)由電池供電的設(shè)備時，諸如手機、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，則會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計和功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器，一般都設(shè)有幾個不同的工作狀態(tài)，通過一系列不同的節(jié)能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對電池容量的消耗。即當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時，處理器就會進入電源消耗較少的低功耗模式。[1]帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是不錯的選擇。
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的結(jié)構(gòu)主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護電路等，基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：

VOUT=（R1+R2）/R2 * Vref

產(chǎn)生壓差的主要原因是，在調(diào)整元件中有一個P溝道的MOS管。當(dāng)LDO工作時MOS管道通等效為一個電阻，RDS(ON),

VDROPOUT = VIN - VOUT = RDS(ON) x IOUTR.

由此得出低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的一個重要特性，在輸入電壓大于最小工作電壓和輸出電壓其標稱值范圍內(nèi)，負載電流為零時，輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化，這就是LDO的跟隨特性，待輸出電壓達到其標稱值后不隨輸入而變化，從而達到穩(wěn)壓的目的，這就是LDO的穩(wěn)壓特性。如圖為圣邦微電子的SGM2007輸入電壓和輸出電壓的曲線。

在測試壓差（Dropout）時不同的廠家有不同的標準。德州儀器（TI）電壓差定義為輸出電壓較其標稱值跌落2％時的輸入、輸出電壓的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標稱值小于100mV時的輸入、輸出電壓的差值. 如圖為圣邦微電子的SGM2007負載為300mA時輸入電壓和輸出電壓的曲線。

如圖在箭頭范圍內(nèi)，輸入和輸出和箭頭組成的圖形在一定范圍內(nèi)近試為平行四邊形，在平行四邊的邊上任取一點，做與另一邊平行的線段，由平行四邊形的定義可知和另一邊相等。所以這兩種測試方法只是取值點不同而已，對同一芯片而言，兩種方法測得值幾乎相同。在TMT生產(chǎn)測試中，也有兩種測試方法，一種是循環(huán)法，輸入在某一個確定值時,以步長為1mV下降，至道輸出電壓較其標稱值跌落2％，或輸出電壓較其標稱值小于100mV時停止，這種方法循環(huán)的步長越多，測試的時間就越長，對芯片的成本就越高，令一種方法是，輸入固定電壓法，輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形，只要我的取值點在平行四邊形內(nèi)，測得的值就是相同的，所以通常是根據(jù)具體的LDO 的Dropout的大小，輸入加上某一個值，使輸出電壓約等于較其標稱值跌落2％或較其標稱值小于100mV。例如Dropout在150mA時為100mV,那么輸入可以等于輸出，這樣測的輸出比標稱值小于100mV，等于這樣測一次就可以了，節(jié)約了大量的時間，降低生產(chǎn)成本。

單體鋰離子電池充足電時的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，而有些標定電壓為3.3V工作的微處理器DSP的最低工作電壓可以達到2.9V。這樣LDO輸出值在小于標稱值的一定范圍內(nèi)還是可以工作的。由上圖可見，LDO的壓差越小，輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形越長，LDO的工作時間就越長效率就越高，電池的待機時間也就會越長。

低壓差線性穩(wěn)壓器由于存在壓差，它最大的缺點是在熱量管理方面，因為其轉(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如，如果一個驅(qū)動圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標稱的3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%，因此在手機中產(chǎn)生了一些發(fā)熱點，并縮短了電池工作時間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實存在這些缺點，但是當(dāng)電壓差較小時，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。

低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來計算最惡劣情況下的功耗：

PD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:PD = 最惡劣情況下的實際功耗，VINMAX = VIN 腳上的最大電壓，VOUTMIN = 穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ILMAX = 最大( 負載) 輸出電流。

最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(TAMAX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125°C) 和結(jié)點到空氣間熱阻（θJA) 的函數(shù)。對于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23A封裝器件，其（θJA)約為250°C/Watt。

PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ θJA

VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125°C，TAMAX = +55°C

實際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗: PDMAX= 280mW.

在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的使用過程中一定要注意合理分配LDO實際功耗，不要超過他的最大功耗。以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻

1． 顏重光 便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)

2． Microchip Tc2014 datasheet