关于LDO的内容,看这一篇就够了

记得诚 2020-07-27

在看此文前,推荐阅读:请举手回答,LDO和DC-DC有什么不同?

LDO工作原理

LDO是Low Dropout Regulator的缩写,意思是低压差线性稳压器,下面是LDO的内部框图,大致的工作原理就是:参考电压Vref和反馈电压FB(VOUT通过两个电阻分压)分别接在误差放大器的反向和正向端,然后输出误差量,再通过MOS drive调整输出电压大小,达到输出稳定。当输出电压增大时,FB增大,放大器输出电压增加,PMOS管的G极电压增大,Usg减小,PMOS的输出电流和电压较小,形成了一个负反馈系统。

LDO典型框图

LDO基本参数解释

  • 输入电压:规定设计输入电源范围。
  • 静态功耗:英文Quiescent Current,输出电流为0时的输入电流,即VOUT空载时输入电流。好的LDO和差的LDO相比较,是在电源纹波抑制比PSRR差不多的时候,静态耗流会更低。
  • 关闭功耗:英文Shut down Current,使能脚拉低,VOUT=0V时,VIN上消耗的电流即为关闭功耗,一般在1uA以内,越小越好。
  • 电源纹波抑制比:英文PSRR,这个参数越大越好,代表抑制输入纹波的能力越强,一般SPEC给出的是1KHz下的值,如:68dB@F=1KHz,LDO的最大的优点之一是它们能够衰减开关模式电源产生的电压纹波,所以一般在100K到1MHz之间的PSRR非常重要,这也是为什么我们经常看见DC-DC后面搭配一个LDO使用,敏感的模拟电源AVDD上,如ADC,Camera等,选择高PSRR的LDO。
  • 输出电流:设计时预留50%的余量,实际运用过程中,输出电流的大小和输入输出电压都有关系。
  • 输出电压:分为可调和固定,根据实际情况选择在,一般最好选择固定的。
  • 输出电压精度:一般是2%,还有5%的。
  • 耗散功率:使用时LDO的消耗的功耗不能超过这个值,否则LDO可能会损坏。
  • 地电流:英文Ground Current,指的是输入电流和输出电流的差值。指的是LDO正常工作状态,在特定的负载下,LDO自身消耗的电流。

LDO的一些特性

输出自放电

带自放电功能的LDO,能尽快泄放输出电容上的能量,保证LDO尽快关闭,下次开启是从0电压。坏处是如果外部有电压加到或者串到VOUT上,因为VOUT上的Rdischg电阻,会有一定的耗流产生,确定不会有串电到VOUT上用带自放电的LDO比较好。
在LDO关闭时,下图中标注的MOS管会自动打开,VOUT通过Rdischg对地放电,有的LDO框图中没有画这个自放电电阻,但是也是带自放电功能的,自放电电阻大小可以通过RC放电公式进行计算。

带自放电的LDO

软启动
带软启动的LDO可以有效的控制电流,使输出较平缓的上升。
实际测试LDO的上电瞬间,VOUT起来是比较平缓的,并没有电压过冲。

实测LDO输出

软启动的时间可以依据下图测试,TSS是输入电压上升到0.5倍到VOUT完全起来的时间间隔。

软启动时间定义
LDO效率
LDO效率的计算公式为:

输入电流等于输出电流加上静态功耗,根据以上公式,当LDO处在轻载时,IQ就非常重要,IQ越小,效率就越高。
动态负载调整(∆VOUT)
指的是输入电压一定,输出电压随负载电流变化而产生的变化量,当负载电流变化缓慢时,一般LDO能保持LDO恒定不变。当负载电流快速变化时,输出电压就会随之改变。这个输出电压的改变量决定了负载瞬态性能,这个值越小越好。
线性瞬态响应
在负载一定的时候,输出电压随着输入电压改变而产生的变化量。这个值越小越好。
压差(Dropout Voltage)
指保持电压稳定所需要的输入电压和输出电压之间的最小差值。当输入电压为VIN1,输出为VOUT1,缓慢降低VIN1,当输出降低到VOUT1的98%时,此时输入电压为VIN2,那么Vdrop=VIN2-VOUT1*98%,Vdrop越小越好,意味着低功耗高效率。

LDO参考设计

输入输出电容选择

现在一般LDO输入输出各加一个1UF陶瓷电容即可,可选择X5R或者X7R,ESR也会影响LDO系统的稳定性,根据SPEC来选择合适ESR的电容。提高输出电容的容值,可以提高LDO的瞬态响应性能,缺点是会延长启动时间。
Layout参考
输入输出电容靠近LDO管脚放置,LDO和电容要使用同一铜层铺地,输入输出电容的地环路要短。
今天的文章内容到这里就结束了,希望对你有帮助,我们下一期见。

—— The End ——

记得诚 一位硬件工程师的原创分享,涵盖电路设计、PCB设计、电子元器件、电子电路和硬件科普等内容,涉及无线通信、嵌入式、物联网、GNSS定位和车载等领域。
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