400-8090-866

LDO 的主要参数介绍

2022-02-25
访问量:2545
来源:
     在电子设计中,我们经常需要用到不同的直流电压给不同器件供电,其中广泛常见的就是通过LDO稳压芯片来实现得到不同的直流电压输出,因为成本低、性能好,且使用起来也很简单,让低压差线性稳压器(下文简称LDO)用的也越来越多,几乎每款电子产品里都有其身影。

说它好用,是因为在普通设计里,只需要加入合适的输入电压,和几个滤波电容即可得到想要的输出电压,非常简单,然而也正因为这看似简单的用法也要工程师熟悉LDO的主要参数结合自己的具体设计。LDO是靠自身的反馈环路控制主功率管,与负载分压,保持输出端电压的稳定。不同于 DC-DC,LDO 的输入电流,输出电流,和负载电流相等,属于串联关系,因此 LDO 本身就是靠消耗一部分功率来维持输出端的稳定。

图片1.png 

 

LDO 的主要参数

 

1、输入电压范围

------考虑系统提供给 LDO 输入的范围,不能超过 LDO 最大可以承受的电压,同时系统最低电压时应能保证 LDO 可以正常工作。

2、输出电压范围

------考虑需要的输出电压,ADJ 的外部多两个电阻,固定电压输出的会降低整体静态功耗。

3、输出电流(与内部限流值相关)

------考虑需要的输出电流,最好预留 1.5 倍的余量,因为系统中的耗电不是平稳的,需要知道输出电流的峰值,输出电流的大小会直接影响到 LDO 的封装的选择。LDO 规格书一般标称的输出电流,是指其内部功率管的最小限流值,并不能认为任何输入输出电压下,都可以有输出同样电流的能力,因为 LDO 内部一般有过热保护,输出电流受到 LDO 热保护的约束。

图片2.png 

润石高精度LDORS3236

 

4、最小压差(与输出电流值相关)

------因为 LDO 之所以能够稳压,是靠内部的主功率管与负载分压的,老式的 LDO 主功率管是三极管工艺的,最小压差大约为 1.5V,也就是说输入电压减去输出电压小于 1.5V 时,输出电压是无法维持稳压的。现在的的 LDO 一般采用 CMOS 工艺,最小压差大大降低,通常为数百毫伏,不过仍然需要注意,最小压差跟此刻输出的电流是息息相关的,因为主功率管有导通电阻,电流流过后会产生压降,最小压降与主功率管的面积是相关的,也决定了 LDO 的成本。一种有效表示最小压差的方法是,在满载时最小压差是多少,然后归一化为 XmV/mA。

5、输出电压精度

------通常以百分比的形式给出输出电压精度,给数字芯片或者普通的模拟电路供电,3% 以内的精度足矣。做 ADC 的参考源时,需要采用1%精度。需要注意,采用固定电压输出的 LDO,其输出电压精度较为准确,而 ADJ 版本的 LDO,外部的反馈电阻会直接影响输出电压精度,高要求时需要外部的反馈电阻为 1% 甚至 0.1% 精度的。

6、静态电流

------静态电流是指 LDO 负载不吸取电流时,也就是单从 LDO 的 GND 引脚流走的电流大小。一般小于 50uA 为低功耗 LDO,小于 5uA为超低功耗 LDO。静态电流会影响 LDO 的噪声,瞬态响应等关键参数。越低功耗的 LDO,其噪声越大,PSRR、瞬态响应越差。

早期采用三极管工艺做的 78XX 和 1117 系列 LDO,静态电流会随着输出电流的增大而明显增大,因为三极管本身属于一个流控器件。现在采用的 CMOS 工艺,主功率管是 PMOS,属于压控器件,输出电流增大并不会导致主功率管控制端电流的增大。不过 LDO 内部的许多恒流源,误差放大器带宽的切换,还有一些保护电路,会随着输入电压的高低,吸取的电流会变化,导致 LDO 的静态电流会随着输出电流或者输入电压而发生变化。

 

图片3.png 

上图是润石RS3236 的静态电流,可以看到随着输出电流从0mA增加到100mA过程中,静态电流在增加,此时误差放大器的带宽也在增加。

图片4.png 

上图是润石 RS3002 的静态电流,可以看到随着输出电流从0mA增加到150mA过程中,静态电流仅轻微增加,因为RS3002 是超低功耗LDO,误差放大器的带宽不能设计的很宽。

 

7、PSRR (电源抑制比)

------电源抑制比是指 LDO 输入端有交流纹波干扰时,经过 LDO 后,输出端还残存多少,一般用 dB 值来表示。电源抑制比是频率的函数,也就是输入干扰频率越高,电源抑制比越低,其一般跟 LDO 内部的误差放大器的开环增益,带宽有很大关系。在高清摄像头模组,高清晰音频,微弱信号检测等应用,对电源抑制比的参数比较关注。

LDO 的 PSRR 曲线可以分为三段,低频段主要受内部基准电压源的影响,中频段主要受内部误差放大器的开环增益曲线影响,在高频段,PSRR 基本上与 LDO 内部主要的器件无关了,主要是输出滤波电容,输出端的引线电感,还有 LDO 内部的等效输出阻抗在相互作用而表现出具有某个频率点谐振的状态。输出电流越大,LDO 的 PSRR 越差。

 

 

润石RS3005 实测的PSRR 曲线-63dB@1kHz

 

8、积分噪声(10Hz-100kHz)

------与运放一样,LDO 内部存在 1/f 噪声和白噪声,由于 LDO 内部误差放大器的带宽通常小于 100kHz,因此业内对 LDO 的噪声描述都是从 10Hz-100kHz 的频率。静态电流越大,LDO 的噪声越低,LDO 的噪声主要由两部分构成,内部的基准源和误差放大器。

所以很多低噪声的 LDO,第 4 pin 接一个电容,用于降低内部基准源的噪声。一般来说,LDO 空载时,内部误差放大器的带宽很小,此时输出噪声较低。有负载接入时,随着负载电流的增大,内部误差放大器的带宽会增大,输出噪声会增大许多。

图片7.png 

 

图片8.png 

图片9.png 

4 pin BP 引脚无对地滤波电容

图片10.png 

4 pin BP 引脚有 10nF 对地滤波电容

 

9、瞬态响应

------瞬态响应是指负载从一个电流跳到另一个电流时,LDO 输出电压瞬间变化的幅度,因为 LDO 内部本质上是一个负反馈系统,对于输出的突然扰动,必然存在一个响应的时间,LDO 的静态电流越大,内部负反馈的环路带宽可以做的宽一点,则瞬态响应就会更好,输出电压的波动更小,因为可以更快的响应输出的变化。

加大输出滤波电容会改善 LDO 的瞬态响应,因为更大的输出电容可以瞬间提供充足的电荷给负载吸取,输出电压因此跌落更少。对于负载电流快速变化的负载来说,LDO 的瞬态响应是一个非常关键的参数,许多 CPU 的核电压,音视频编解码芯片,都属于负载电流快速变化的负载,对纹波又要求苛刻,因此需要超快响应速度的 LDO。

图片11.png 

超快瞬态响应 LDO,输出电流以 25kHz 频率从 50mA 跳到 150mA,输出电压波动不超过 10mV

 

图片12.png 

RS3005 实测瞬态响应,从 10mA 跳到 50mA,频率 1kHz,输出电压波动 17mV

 

LDO的结构

LDO的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出电压稳定在规定值上,同理如果输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压保持不变,即:

Vout=(R1+R2)/R2 ×Vref