LDO電源設計原理與應用課件

1IntroductionandLayoutPrincipleof

LinearPowerSupply

BobJiangNov.20092IntroductionofLinearPowerSupply

線性電源，是指調整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。一般來說，線性穩(wěn)壓電源由調整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分.3FundamentalPrincipleofLinearPowerSupply調整原理如下：直流輸出電壓由于輸入電壓升高或輸出負載電流減小而升高時，串接晶體管（設為NPN型）基極電壓下降，其等效電阻阻值加大，使輸出電壓降低，從而保持采樣電壓等于參考電壓。這種負反饋控制在輸出電壓下降時也同樣起作用。此時誤差放大器輸出會使串接晶體管基極電壓上升，集電極電阻減小，直流輸出電壓升高，使采樣電壓等于參考電壓。實質上，輸入電壓的任何變化都會被串聯晶體管等效電阻所調整，使輸出電壓保持不變，其恒定程度與反饋放大器的開環(huán)增益相關。晶體管始終工作在線性狀態(tài)，電路損耗為各元件直流損耗。串接NPN型晶體管的線性調整器，若基極驅動由Vin經Rb提供，則Vin與Vout之間必須存在最小壓差以保證向內的基極驅動電流。5IntroductionofLDO為解決壓差過大（功耗過大）而不適合用在低電壓轉換的問題，出現了LDO（LowDropoutLinearRegulator）.低壓差線性穩(wěn)壓器也存在壓差，具有線性電源的優(yōu)點和缺點。其轉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LDO輸入電源是3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉換效率僅為50%。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%。

在LDO中，產生壓差的主要原因是在調整元件中有一個P溝道的MOS管。當LDO工作時MOS管道通等效為一個電阻，Rds(on),

Vdropout=Vin-Vout=Rds(on)xIout(式A)6IntroductionofLDOLDO的結構主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡，保護電路等。基本工作原理是這樣的：系統加電，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，當輸出即將達到規(guī)定值時，由反饋網絡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，再經調整管放大到輸出，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*refV

(式B)7MainParametersofLDO1．輸出電壓(OutputVoltage)輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數，也是電子設備設計者選用穩(wěn)壓器時首先應考慮的參數。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經過廠家精密調整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設定的輸出電壓數值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應用要求，但是外接元件數值的變化將影響穩(wěn)定精度。2．最大輸出電流(MaximumOutputCurrent)用電設備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統中，應根據各部分所需的電流值選擇適當的穩(wěn)壓器。9MainParametersofLDO5．負載調整率(LoadRegulation)負載調整率可以通過下圖和式C來定義，LDO

的負載調整率越小，說明LDO

抑制負載干擾的能力越強。

(式A)式中△Vload—負載調整率Imax—LDO

最大輸出電流Vt—輸出電流為Imax

時，LDO

的輸出電壓Vo—輸出電流為0.1mA

時，LDO

的輸出電壓△V—負載電流分別為0.1mA

和Imax

時的輸出電壓之差10MainParametersofLDO6．線性調整率(LineRegulation)線性調整率可以通過下圖和式D

來定義，LDO

的線性調整率越小，輸入電壓變化對輸出電壓影響越小，LDO

的性能越好。式D式中△Vline—LDO

線性調整率Vo—LDO

名義輸出電壓Vmax—LDO

最大輸入電壓△V—LDO

輸入Vo

到Vmax‘輸出電壓最大值和最小值之差11MainParametersofLDO7．電源抑制比(PowerSupplyRejectionRatio.PSRR)

LDO

的輸入源往往許多干擾信號存在。PSRR

反映了LDO

對于這些干擾信號的抑制能力。

PSRR=20log（△vin/△vout）

LDO輸出噪聲受其內部設計和外部旁路、補償電路的影響。導致LDO輸出噪聲的主要來源是基準。為降低基準噪聲，用于連接基準旁路電容。增大旁路電容能夠使基準噪聲成為產生LDO輸出噪聲的次要因素，有利于減小輸出噪聲。建議使用陶瓷電容的典型值為470

pF

到0.01μF

。也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO

輸出電壓上升的速度產生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。8.基準電壓（ReferenceVoltage）基準模塊是線性穩(wěn)壓器的一個核心部分，基準的大小直接決定了穩(wěn)壓器輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。13ApplicationofLDOLDO的應用電路十分方便簡單，工作時僅需要二個作輸入、輸出電壓退耦降噪的陶瓷電容器，見下圖。

Vin和Vout的輸入和輸出濾波電容器，應當選用寬范圍的、低等效串聯電阻(ESR)、低價陶瓷電容器，使LDO在零到滿負荷的全部量程范圍內穩(wěn)壓效果穩(wěn)定。一些LDO有一個Bypass附加腳，由它連接一個小的電容器，可以進一步降低噪音（參考7．電源抑制比）。

14KeypointinApplication-Capacitors電容器的選擇關系到設計產品的質量和成本，電容器的電容值、電介質材料類型、物理尺寸、等效串聯電阻(ESR)等這些重要參數都是設計工程師所要考慮的。在LDO使用電路的設計中，陶瓷電容器是最好的選擇，因為陶瓷電容器無極性和具有低的ESR，電容器的ESR對輸出紋波有重大影響，而ESR受電容器的類型、容量、電介質材料和外殼尺寸影響，如常用的貼片電容器X7R

電介質是最好的，但使用成本略高，X5R

電介質較好，性能/價格比適宜，而Y5V電介質較差，但成本較低。15KeypointinApplication-Capacitors1、輸入電容輸入電容的主要作用是對調整器的輸入進行濾波，另外輸入電容也可以抵消輸入線較長時引入的寄生電感效應，防止電路產生自激振蕩；所以調整器輸入端一般采用兩個電容并聯的設計。較大的電容提供濾波作用，一般取22uF左右；較小電容提供消除振蕩作用，取值一般為1uF，實際應用中一般選用0.1uF，位置盡量靠近調整器的輸入Pin輸入電容除了考慮容值外，紋波電流額定值也必須考慮，輸入電容的紋波電流應小于器件手冊給出的額定值，電路的紋波電流可以用下面的公式簡單計算：Iripple＝PI×Vp×f×C其中：Iripple：輸入電容的紋波電流Vp：紋波電壓的峰－峰值C：輸入電容值f：為紋波電壓的頻率，一般取100KHz再考慮以上因素的時候還應該注意溫度對電容特性的影響，如鉭電容其電容值以及紋波電流額定值都隨著溫度的升高而降低。另外電容都需80％的降額，鉭電容需要50－60％的降額。17OscillationinLDO1、任何一個電壓調整器可以簡單等效為誤差放大器、驅動電路（NPN、達林頓管等）、驅動電路輸出負載、負載幾個部分。系統的穩(wěn)定性由開環(huán)傳遞函數決定。LDO一般采用PNP或者PMOS接成共發(fā)射極輸出，輸出阻抗很大，輸出電容、負載電阻將直接影響開環(huán)增益。在開環(huán)增益達到0dB以前，輸出電容產生的零點必須補償掉器件內部的一個極點，以獲得足夠的相位欲度，否則可能振蕩。這個零點就由輸出電容的容值和ESR決定。2、正電壓標準調整器（一般采用NMOS或者DMOS）采用射隨輸出，輸出電容對系統的穩(wěn)定性影響很小，加上器件廠家內部添加補償電容，自激振蕩一般不會出現。18KeypointinApplication-PowerConsumption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。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:P=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。PD

最大允許功耗(PDMAX)是最大環(huán)境溫度(TAMAX),最大允許結溫(TJMAX)(+125°C)和結點到空氣間熱阻（θJA)的函數。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。以影響系統的穩(wěn)定性。19KeypointinApplication-LayoutLDO設計中，布局容易被忽視，其實布局是非常重要的。1、元器件放置為了保證調整電路有足夠好的瞬態(tài)響應特性，LDO調整器的帶寬都較高，這使得LDO容易發(fā)生振蕩，除外圍元件對LDO產生影響外，實際電路的寄生參數也會對電路的頻率響應特性產生影響：PCB走線產生的寄生電感。所以電路設計的時候，旁路電容應該盡量靠近器件引腳，即引線長度盡量短、粗，調整器輸入端到旁路電