LDO基本原理(LDO基本原理与关键参数)

1.1的基本原则。LDO

是低压差稳压器的缩写,意思是低压差线性稳压器。

低压差意味着输入电压-输出电压的值相对较低。传统线性稳压器的电压差高达2V,而LDO只有几百mV。

线性是指PMOS基本工作在线性状态(传统的线性稳压器是基于PNP原理,也是工作在线性放大状态)。

电压调节器意味着输出VOUT在正常VIN范围内稳定在一个固定值,这个固定值就是所需的电压值。比如VIN是3~4.4V的电池电压,VOUT一直保持2.7V输出。

下图是LDO原理的简单框图:

LDO是一个负反馈系统。当VOUT增大时,R2上的电压增大,放大器的输出电压增大,PMOS的VGS电压减小,使得PMOS的输出电流和电压减小。所有LDO都有相同的负反馈原理。

我们经常把LDO和DCDC相比较。它们的原理大相径庭,特点也各不相同:LDO简单,功耗低,效率低,噪音极低。DCDC复杂,功率大,效率高,噪音大。

强调一下,LDO的隔音效果非常好,具体指标是PSRR,代表输出噪声与输入噪声的比值。在一些对噪声敏感的电路中,如ADC、DAC、摄像头传感器的模拟电压等。LDO必须入选,而且是一个PSRR高的LDO,而不是DCDC。以下解释了LDO的一些关键技术指标。

2.2对关键参数的理解。LDO

以东芝的TCR3DG系列LDO为例说明LOD的参数。这个系列的LDO广泛应用于手机行业。

2.1压降

电压差是指保证VOUT的输出电压和电流时,VIN和VOUT之间的最小电压差。这个电压差可以理解为PMOS上LDO输出电流的压降。PMOS具有导通电阻。假设VIN=3.4V,VOUT=3.2V,输出电流为300mA,则PMOS的内阻可计算如下

LDO必须满足电压差的要求,但电压差不是一个固定值,它与IOUT的大小有关。下图显示了VOUT=1V的LDO的输出电流与电压差要求之间的关系。可以看出,输出电流越小,所需的电压差就越小。电压差越小,LDO的效率越高。因此,尽量不要让LDO在接近极限的高电流状态下工作,否则效率会很低,LDO会严重发热,容易烧毁。

2.2效率

LDO效率定义如下:

其实IOUT和IIN基本上是相等的,因为IIN的IGND比IOUT大,这个电流小到几乎可以忽略不计。所以效率公式简化如下。

LDO可以简单地视为电压调节器。电压差越小,LDO的效率越高。

2.3静态电流(IQ)

静态电流是外部负载电流为0时,LDO内部电路供电所需的电流。该电路包括带隙基准、误差放大器、输出分压器、过流和过温检测电路。这股水流从LDO的GND流出。

静态电流受温度和输入电压的影响很大,因此ADI公司的高性能LDO可以使静态电流对温度和电压不敏感。下面两张图是普通LDO的静态电流与VIN和温度的关系曲线。室温下的静态电流一般在uA和nA级别。

当输出电流增大时,此时的静态电流IQ称为IGND,一些大功率LDO和IGND也达到mA的水平:

大部分LDO的IQ都很小,这是衡量LDO在低负载下自耗的重要指标。智商越小越好。在消费电子领域,低智商有利于更长的续航,低智商值尤为重要。

2.4关断电流

LDO的输出使能引脚ENn拉低后,VOUT=0V,VIN上消耗的电流就是关断电流IQ(OFF)。关断电流最多不会超过几个uA。

2.5负载瞬态响应

负载IOUT逐级变化时输出电压VOUT的变化率。它与输出端的电容值、电容的ESR、LDO控制环路的增益带宽以及负载电流变化的幅度和速率有关。文章开头,LDO是一个

有些厂家用电流负荷调整率来表示这个值,公式如下:

负载调整率=VOUT/IOUT

道理是一样的。

这个指标对输出纹波有影响,越小越好。

2.6线路瞬态响应

表示VIN阶跃变化时,VOUT的变化,如下图所示。输出电压偏差显示了环路带宽和PSRR的特性。对于1.5us内的2V变化,输出电压变化约2mV,表明1KHz时PSRR约为60dB。当VIN缓慢变化时,您可能只会看到一个凹陷而不会振铃。

有的规范把这个指标叫做电压负载调整率,并给出一个公式,电压负载调整率=VIN/VOUT。道理是一样的。

随着负载电流增加,线路瞬态响应变得更差,因为LDO的总环路增益降低。此外,LDO的功耗也随着电压差的增大而增大,导致PMOS结温升高,带隙电压和内部失调电压降低。

这个指标对输出纹波有影响,越小越好。

2.7电源抑制比的PSRR

表示LDO抑制VIN上噪声的能力,公式如下:

PSRR从100K到1MHz很重要,这是DCDC的噪声频率范围。LDO经常被用作DCDC的下一个舞台,因此它应该能够过滤掉来自DCDC的大量噪音。

在ADC、DAC、摄像头的AVDD电源上,我们应该选择PSRR大于80dB(@100Hz)的LDO。

LDO的环路控制往往是决定电源抑制性能的主要因素,大容量低ESR的电容对电源总是很有用的。建议选择陶瓷电容。

PSRR与频率有关。一般来说,LDO的规范会给出几个频率点的PSRR值。

PSRR与IOUT有关。一般来说,轻负荷的PSRR高于重负荷的。PSRR也与LDO的相位裕度有关,

2.8输出噪声电压

输出电压和电流恒定,VIN上无纹波,VOUT上的噪声电压有效值在给定范围内(10Hz~100KHz)。该噪声主要来自LDO内部基准电压源和误差放大器。LDO的噪声水平如下,通常为紫外线水平。

LDO输出噪声的另一种表达是噪声频谱密度。只有高精度、低噪声的电路才需要注意这个参数。

2.9自放电功能

LDO关闭后,负载电容上仍有电荷。当LDO下一次输出时,由于这个电量,它将产生快速的电压尖峰。虽然幅度不高,但对后续电路也会有破坏性。具有自放电功能的LDO可以在LDO输出关断后,将输出电容上的点电荷放电。

3.输出稳定性要求为3。LDO

LDO是一个负反馈系统。VIN和VOUT的电容值以及ESR都会影响这个系统的稳定性,其中最重要的是ESR。在LDO的规范中,列出了输入电容CIN和输出电容COUT和ESR的要求。务必遵守这一要求。

TCR3DG规范要求COUT的ESR不大于10,且应位于LDO附近。没有其他明确要求,但建议CIN和COUT使用1uF。

ADP165规格要求最小CIN和COUT为0.7uF,ESR为0.001 ~ 0.2 。

LP5907SNX-1.8的规格要求CIN > 0.7 uf;COUT=1uF-10uF,ESR=0.005 ~ 0.5。

所以几乎每个LDO、CIN、COUT都要求大于1uF,而且ESR越低越好,最好小于100m,但也不能太小。小于几m也会使LDO不稳定。

4.LDO选择参考

确定输出电压VOUT,建议选择输出电压固定的,不要选择带ADJ功能的,这样可以节省器件,减少干扰。

确定输出电流IOUT,至少有25%的裕量。

为了确定压差是否合适,一定要检查规格中最大电流对应的最小压差要求。

确认,1x1 CSP的LDO一般用在手机上。

确认PSRR。如果用于低噪声场合,必须选择高PSRR(80dB以上)的LDO。建议在80 dB以上。

如果是电池供电,需要很高的续航能力,一定要选择低智商的LDO。

注意CIN和LDO的COUT要求,不要错了。

为了快速响应,您可以选择带偏置电压的LDO。

5.LDO 5型。电源管理单元

MT2503平台PMU的11路LDO输出中,有给射频放大器供电的低噪声LDO,也有待机不掉电的低静态电流LDO。那儿有