摘要 : 線性穩(wěn)壓器(LDO)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但很多情況下LDO的性能與您的理解相差甚遠(yuǎn)。本文探討了5種情況，包括啟動(dòng)、接近最小壓差時(shí)的靜態(tài)電流、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、PSRR和噪聲，以及輸入保護(hù)。理解這些內(nèi)容有助于改善產(chǎn)品選型和調(diào)試。

引言
查找線性穩(wěn)壓器時(shí)，面對(duì)無(wú)限多的產(chǎn)品型號(hào)，利用參數(shù)搜索工具可以把選擇范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)，看起來(lái)非常簡(jiǎn)單。需要什么樣的輸出電壓？負(fù)載電流是多少？承受的輸入電壓范圍如何？穩(wěn)壓器需要工作在什么壓差下？最大輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？接下來(lái)是細(xì)節(jié)處理。如果負(fù)載對(duì)電源波動(dòng)非常敏感怎么辦？可能要求極低的輸出噪聲和很高的PSRR。如果設(shè)計(jì)采用電池供電，則對(duì)靜態(tài)電流的要求也會(huì)非常嚴(yán)格。
現(xiàn)在，您已經(jīng)將范圍縮小到那些能夠滿足具體應(yīng)用的器件。但這并沒(méi)結(jié)束。在最終決定之前，以下5個(gè)因素還需要考慮。

? 穩(wěn)壓器如何啟動(dòng)？
? 接近最小壓差時(shí)，靜態(tài)電流是否依然保持在非常低？
? 對(duì)于實(shí)際負(fù)載，而非數(shù)據(jù)手冊(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)，器件的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)如何？
? LDO輸出紋波是否主要取決于PSRR，或者主要由LDO輸出噪聲決定？
? 器件關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)如何？
為什么這些問(wèn)題如此重要？實(shí)際應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器的有些表現(xiàn)可能使您感到很陌生，需要花費(fèi)額外的時(shí)間診斷電路板的故障，甚至需要重新設(shè)計(jì)。
本應(yīng)用筆記對(duì)LDO的上述要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。希望有助于您的線性穩(wěn)壓器選型和設(shè)計(jì)。
1.啟動(dòng)
大多數(shù)穩(wěn)壓器都配備了使能輸入，用于控制穩(wěn)壓器的上電或關(guān)斷，以節(jié)省功耗。帶有使能輸入的穩(wěn)壓器通常也帶軟啟動(dòng)功能。軟啟動(dòng)可防止穩(wěn)壓器打開時(shí)造成輸入電源過(guò)載。軟啟動(dòng)通常采用以下兩種方式之一。
電流軟啟動(dòng)
第一種方法是電流軟啟動(dòng)。大多數(shù)穩(wěn)壓器具有電流限值；電流軟啟動(dòng)是緩升或步進(jìn)到該電流限值。由于輸出電容充電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大負(fù)載電流，軟啟動(dòng)使得輸出電壓緩慢上升。電流軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓器輸入電流穩(wěn)定上升，不會(huì)將負(fù)載啟動(dòng)的瞬態(tài)電流傳遞到輸入。
使能負(fù)載時(shí)，大家可能會(huì)注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個(gè)點(diǎn)。這是因?yàn)樨?fù)載電路打開并嘗試在穩(wěn)壓器處于限流的條件下啟動(dòng)工作。如果負(fù)載電流超過(guò)軟啟動(dòng)電流，負(fù)載本身將進(jìn)入欠壓狀態(tài)，造成復(fù)位。隨著負(fù)載電流的打開和關(guān)閉，這種循環(huán)會(huì)不斷持續(xù)。最后軟啟動(dòng)電流達(dá)到足夠高的水平，能夠支持負(fù)載供電，釋放復(fù)位，負(fù)載電路正常喚醒。
電壓軟啟動(dòng)
第二種軟啟動(dòng)是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會(huì)在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當(dāng)下游電路開啟時(shí)不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能防止負(fù)載多次進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，因?yàn)檩敵鲭妷簝H穿越負(fù)載欠壓門限一次。
電壓軟啟動(dòng)期間的浪涌電流取決于輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負(fù)載吸收的電流。典型情況下，按照浪涌電流大約為最大額定輸出電流的1%至10% (使用推薦的最小輸出電容)來(lái)設(shè)置輸出電壓斜率。將浪涌電流設(shè)置為小于最大負(fù)載電流的10%，為負(fù)載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點(diǎn)是輸入電流與負(fù)載變化有關(guān)，不能直接控制；優(yōu)點(diǎn)是能夠避免系統(tǒng)多次復(fù)位。
圖1 所示為電流軟啟動(dòng)和電壓軟啟動(dòng)對(duì)比。
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圖1. 電流軟啟動(dòng)和電壓軟啟動(dòng)對(duì)比
2.靜態(tài)電流與壓差
如果系統(tǒng)由電池供電，穩(wěn)壓器的電源電流非常重要。負(fù)載電路可短暫工作，然后長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時(shí)，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載的靜態(tài)電流。如果是這種情況，則要考慮選擇低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。
假設(shè)隨著電池電量的消耗，使得輸入與輸出之間的壓差達(dá)到很小的狀態(tài)。此時(shí)的線性穩(wěn)壓器，即使負(fù)載電流非常小，也會(huì)強(qiáng)制FET導(dǎo)通，最大程度地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時(shí)的潛在問(wèn)題是，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器輸出FET的柵極驅(qū)動(dòng)電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機(jī)模式”變?yōu)椤半姵乜焖俜烹娔Ｊ健薄?br /> [圖片]

圖2. 最低壓差條件下，MG驅(qū)動(dòng)阻抗造成靜態(tài)電流增大。
即使很好的IC設(shè)計(jì)，靜態(tài)電流在最低壓差條件下增大的現(xiàn)象也并不罕見。小壓差下的電源電流提高2倍很常見，有些設(shè)計(jì)甚至增大10倍或更多。有些器件在EC表或靜態(tài)電流與輸入電壓關(guān)系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但更多情況下，數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的是叫高壓差下的電源電流。
對(duì)于具體應(yīng)用，如果低壓差條件下的靜態(tài)電流非常重要，應(yīng)選擇提供該信息的LDO，或者進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，確定性能滿足要求。
3.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
負(fù)載快速變化期間，多數(shù)穩(wěn)壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。負(fù)載變化時(shí)，輸出FET柵極驅(qū)動(dòng)需要隨之變化。而柵極驅(qū)動(dòng)達(dá)到新水平所需的時(shí)間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過(guò)沖。
滿載時(shí)的快速瞬變會(huì)造成最差情況下的瞬態(tài)下沖。選擇穩(wěn)壓器之前，須務(wù)必檢查瞬態(tài)響應(yīng)。與從1%滿載作為初始條件相比，從10%滿載開始通常會(huì)給出更好的結(jié)果；因?yàn)?0%負(fù)載預(yù)偏置與1%負(fù)載預(yù)偏置相比，輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負(fù)載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得較好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較困難。
保證穩(wěn)壓器輸出負(fù)載最小在一定程度上可以規(guī)避大的負(fù)載瞬變，但這不是有效的解決方案。當(dāng)穩(wěn)壓器從滿載躍變到輕載時(shí)，往往會(huì)發(fā)生輸出過(guò)沖。而穩(wěn)壓器從過(guò)沖狀態(tài)恢復(fù)的過(guò)程中，器件處于比較敏感狀態(tài) —— 此時(shí)的輸出FET完全沒(méi)有偏置。這種狀態(tài)下，如果出現(xiàn)另一次負(fù)載階躍，輸出則出現(xiàn)下沖，比第一次更為嚴(yán)重。
如果存在任何快速開啟、關(guān)斷負(fù)載的情況，最好在類似條件下檢查每個(gè)穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。(圖3)所示為雙脈沖負(fù)載瞬變期間的性能。
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圖3. 雙脈沖負(fù)載瞬變時(shí)的輸出下沖。
4.噪聲與電源抑制比(PSRR)
顯而易見，大多數(shù)設(shè)計(jì)用于低噪聲輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的PSRR。無(wú)論何種原因，負(fù)載對(duì)電源紋波都非常敏感。
使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，PSRR比輸出噪聲問(wèn)題更嚴(yán)重。比如，一個(gè)線性穩(wěn)壓器的前端使用了降壓型調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓作為輸入，而其輸出端的負(fù)載又對(duì)噪聲非常敏感。如果降壓型調(diào)節(jié)器的紋波為50mVP-P @ 100kHz，線性穩(wěn)壓器在100kHz下的PSRR為60dB，則輸出紋波為50UVP-P，等效輸出噪聲大約15uVRMS。而同一線性穩(wěn)壓器在10Hz至100kHz帶寬范圍內(nèi)的總輸出噪聲可能小于5uVRMS，由于PSRR和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產(chǎn)生的噪聲達(dá)到穩(wěn)壓器本身噪聲的3倍，如(圖4)所示。
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圖4. 輸出噪聲指標(biāo)變差主要取決于PSRR。
對(duì)于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲可能成為PSRR的決定因素。這是因?yàn)榉謮汉蟮姆答佪斎朐肼曉龃罅恕＜偃缫粋€(gè)線性穩(wěn)壓器將噪聲較高的升壓轉(zhuǎn)換器的17V輸出轉(zhuǎn)換為噪聲較小的16V電源，紋波小于100uV。開關(guān)頻率處的PSRR為60dB，50mVP-P升壓轉(zhuǎn)換器紋波將衰減到50uVP-P，或者輸出噪聲15uVRMS。如果采用5uVRMS低噪聲基準(zhǔn)和反饋運(yùn)放輸入，我們來(lái)看一下反饋輸入產(chǎn)生的問(wèn)題。如果反饋輸入調(diào)整在1.25V，電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出設(shè)置為16V，那么輸出噪聲將增大到5uVRMS x (16V/1.25V)，即64uVRMS，這可能成為主要的噪聲源。(圖5)顯示了高壓輸出造成的輸出噪聲性能下降。
在查找線性穩(wěn)壓器時(shí)，如果為噪聲敏感的負(fù)載供電，通常既需要考慮輸出噪聲，也需要考慮PSRR。
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圖5. 高壓輸出造成的噪聲性能下降。
5.輸入保護(hù)
線性穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管大多包含體二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出0.7V以上。大多數(shù)情況下，該二極管不是問(wèn)題，但在兩種情況下會(huì)引起麻煩。
反向電壓保護(hù)有些情況下，輸入電壓可能接反，導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)，比如放置9V電池的兩個(gè)金屬觸點(diǎn)。盡管連接器能夠防止電池永久性反接，但在用戶更換電池時(shí)會(huì)有幾秒或更長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓。
反向電壓保護(hù)允許輸入引腳電壓低于地電位，不會(huì)吸收顯著電流。為達(dá)到這一目的，需要通過(guò)串聯(lián)開關(guān)將輸出FET的體二極管斷開。大多數(shù)穩(wěn)壓器都包括二極管，防止任何引腳電壓低于地電位，防止引腳發(fā)生靜電放電，即ESD。為實(shí)現(xiàn)反向電壓保護(hù)，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護(hù)器件，參見(圖6)。
MAX1725是一款具有反向電壓保護(hù)的器件，允許輸入比地電位低12V，不會(huì)吸收大的電流。
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圖6. 反向電壓保護(hù)。
反向電流保護(hù)線性穩(wěn)壓器的反向電流保護(hù)很容易與反向電壓保護(hù)混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出FET體二極管的反向電流傳導(dǎo)，但控制方法完全不同。(圖7)所示為反向電流保護(hù)工作原理。
對(duì)于較高容性負(fù)載的情況，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩(wěn)壓器供電。同時(shí)假設(shè)該線性穩(wěn)壓器由大電流降壓轉(zhuǎn)換器供電，關(guān)斷狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器將其輸出短路至地。我們會(huì)毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，在第一次關(guān)斷事件期間，由于負(fù)載電容網(wǎng)絡(luò)同時(shí)通過(guò)線性穩(wěn)壓器的體二極管進(jìn)行放電，線性穩(wěn)壓器可能被損壞。
具有反向電流保護(hù)的線性穩(wěn)壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時(shí)，斷開體二極管，可以避免這一問(wèn)題。如果輸出電壓之前在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，輸出FET將導(dǎo)通，在觸發(fā)保護(hù)電路之前，會(huì)有少量反向電流流通。注意，反向電流保護(hù)僅僅消除從輸出到輸入的電流，但在輸入引腳電壓低于地電位時(shí)并未阻斷電流，就像反向電壓保護(hù)那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護(hù)的器件，在輸入短路至地時(shí)可阻斷負(fù)載電容的電流倒灌。
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圖7. 反向電流保護(hù)。
總結(jié)
我們以上討論了線性穩(wěn)壓器的一些特殊情況，這些問(wèn)題可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)或參數(shù)搜索中發(fā)現(xiàn)不了。有時(shí)候不太容易確定每款線性穩(wěn)壓器會(huì)出現(xiàn)哪種狀況，但了解潛在問(wèn)題就為您查找正確的器件提供了很大優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的关于线性稳压器的五个设计细节的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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