低壓差穩(wěn)壓器

"線性"串聯(lián)穩(wěn)壓器(見圖1)通常包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)比例輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較環(huán)節(jié)、一個(gè)反饋放大器和一個(gè)串聯(lián)調(diào)整管組成(雙極型晶體管或fet 管)組成，用放大器控制穩(wěn)壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如，如果負(fù)載電流下降，會(huì)引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大，放大器的輸出上升，調(diào)整管兩端的電壓會(huì)增加，因此輸出電壓回到其原始值。 圖1 基本的增強(qiáng)型pmos ldo 在圖1中，誤差放大器和pmos晶體管構(gòu)成壓控電流源。輸出電壓vout按分壓比(r1，r2)成比例下降，并且將其與基準(zhǔn)電壓(vref)比較。誤差放大器的輸出控制增強(qiáng)型pmos晶體管。 穩(wěn)壓器的"壓差"是指輸出電壓與輸入電壓之間的壓差，如果此輸入電壓繼續(xù)減小那么該電路便不能穩(wěn)壓。通常認(rèn)為當(dāng)輸出電壓下降到低于標(biāo)稱值100 mv時(shí)是達(dá)到的目標(biāo)。表征這ldo穩(wěn)壓器的關(guān)鍵指標(biāo)取決于負(fù)載電流和調(diào)整管的pn結(jié)溫度。 壓差對(duì)穩(wěn)壓器分為三類:標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器、準(zhǔn)ldo和ldo 。 標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器，通常使用npn調(diào)整管，通常輸出管的壓降大約為2v。 準(zhǔn)ldo穩(wěn)壓器，通常使用達(dá)林頓復(fù)合管結(jié)構(gòu)(見圖2)以便實(shí)現(xiàn)由一只npn晶體管和一只pnp晶體管組成的調(diào)整管。這種復(fù)合管的壓降，vsat (pnp)+vbe (npn) 通常大約為1v -比ldo高但比標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器低。 圖2 準(zhǔn)ldo電路 ldo穩(wěn)壓器通常根據(jù)壓差要求作最佳選擇，通常壓差在100 mv~200 mv 范圍。然而，ldo的缺點(diǎn)是其接地引腳的電流通常比準(zhǔn)ldo或標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器大。 標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器比其它類型穩(wěn)壓器具有較大的壓差，較大的功耗和較低的效率。大多數(shù)情況下可使用ldo穩(wěn)壓器代替標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器，但是應(yīng)該考慮到ldo穩(wěn)壓器的最大輸入電壓指標(biāo)比標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器低。此外，有些ldo需要精心挑選外部電容器以保持穩(wěn)定性。這三種類型穩(wěn)壓器在帶寬和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性考慮因素方面也有些不同。

1、穩(wěn)壓電源運(yùn)行時(shí)，請(qǐng)勿隨意拆開穩(wěn)壓電源或撥拉穩(wěn)壓電源輸入輸出連線，以防觸電或其它電氣安全事故。 2、穩(wěn)壓電源輸入輸出連線一定要布置合理，防止踩踏磨破，造成漏電事故 3、穩(wěn)壓電源一定要可靠接地，因不接地線運(yùn)行而造成的觸電或人體傷害，由用戶自行負(fù)責(zé)。 4、穩(wěn)壓電源的地線不能接在暖氣管道、供水管道、燃?xì)夤艿赖裙嬖O(shè)施上，以免侵犯第三方權(quán)利或造成危害。 5、應(yīng)定期檢查穩(wěn)壓電源的輸入和輸出連線，以免松動(dòng)或脫落，從而影響穩(wěn)壓電源的正常使用和用電安全。 6、非專業(yè)人員請(qǐng)不要拆開穩(wěn)壓電源或?qū)Ψ€(wěn)壓電源進(jìn)行維修。

低壓差穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路等，基本工作原理是這樣的:系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)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(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變。

為特定的應(yīng)用選擇合適的穩(wěn)壓器，需要考慮輸入電壓的類型和范圍(例如穩(wěn)壓器前面的dc/dc變換器或開關(guān)電源的輸出電壓)。其它重要考慮因素是:需要的輸出電壓、最大負(fù)載電流、最小壓差、靜態(tài)電流和功耗。通常，穩(wěn)壓器的附加功能可能很有用，例如待機(jī)引腳或指示穩(wěn)壓失效的錯(cuò)誤標(biāo)志。 為了選擇合適類型的ldo，需要考慮輸入電壓源。在電池供電應(yīng)用中，當(dāng)電池放電時(shí)，ldo必須維持所需的系統(tǒng)電壓。如果dc輸入電壓是由經(jīng)過整流的ac電源提供，那么壓差并不重要，因此標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器可能是更好的選擇，因?yàn)槠涓鼉r(jià)格較低并且可以提供較大的負(fù)載電流。但是如果需要較低功耗或較精密的輸出電壓，則 ldo是合適的選擇。 當(dāng)然，穩(wěn)壓器應(yīng)該在最壞工作環(huán)境達(dá)到規(guī)定精度的條件下能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠大的電流。 1、ldo結(jié)構(gòu) 在圖1中，調(diào)整管是pmos晶體管。然而，穩(wěn)壓器可能使用各種類型的調(diào)整管，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類型對(duì)ldo分類。不同結(jié)構(gòu)和特性的ldo具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。四種類型調(diào)整管示例如圖3所示，包括npn雙極型晶體管、pnp雙極型晶體管、復(fù)合晶體管和pmos晶體管。 圖3 調(diào)整管示例 對(duì)于給定的電源電壓，雙極型調(diào)整管可提供最大的輸出電流。pnp優(yōu)于npn，因?yàn)閜np的基極可以與地連接，必要時(shí)使晶體管完全飽和。 npn的基極只能與盡可能高的電源電壓連接，從而使最小壓降限制到一個(gè)vbe結(jié)壓降。因此，npn管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1v的壓差。然而它們?cè)谛枰獙拵捄涂谷菪载?fù)載干擾時(shí)非常有用(因?yàn)樗鼈兙哂械洼敵鲎杩箊out特性)。 pmos和pnp晶體管可以快速達(dá)到飽和，從而能使調(diào)整管電壓損耗和功耗最小，從而允許用作低壓差、低功耗穩(wěn)壓器。pmos調(diào)整管可以提供盡可能最低的電壓降，大約等于rds(on)×il。它允許達(dá)到最低的靜態(tài)電流。pmos調(diào)整管的主要缺點(diǎn)是mos 晶體管通常用作外部器件-特別當(dāng)控制大電流時(shí)-從而使ic構(gòu)成一個(gè)控制器，而不能構(gòu)成一個(gè)自身完整的穩(wěn)壓器。 一個(gè)完整穩(wěn)壓器的總功耗是 pd = (vin – vout) il + vinignd 上面關(guān)系式的第一部分是調(diào)整管的功耗;第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩(wěn)壓器的接地電流，特別是那些用飽和雙極型晶體管作調(diào)整管的穩(wěn)壓器，會(huì)在上電期間達(dá)到峰值。 2、確保ldo動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 適合普通應(yīng)用的傳統(tǒng)ldo穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)存在穩(wěn)定性問題。這個(gè)問題是由于反饋電路的性能、多種可能的負(fù)載、環(huán)路中元件的變化和難于獲得具有一致性參數(shù)的精密補(bǔ)償。下面將討論這些考慮因素。ldo通常使用一個(gè)反饋環(huán)路在輸出端提供一個(gè)與負(fù)載無關(guān)的恒定電壓。因?yàn)閷?duì)于任何高增益反饋環(huán)路來說，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置都決定其穩(wěn)定性。 基于npn管的穩(wěn)壓器具有低阻抗射極負(fù)載輸出，傾向于對(duì)輸出容性負(fù)載很不敏感。然而，基于pnp管和pmos管的穩(wěn)壓器具有較大的輸出阻抗(在基于pnp 管的穩(wěn)壓器中具有高阻抗集電極負(fù)載)。此外，環(huán)路增益和相位特性強(qiáng)烈依賴負(fù)載阻抗，因此對(duì)于穩(wěn)定性問題需要特別考慮。 基于pnp管的ldo和基于pmos管的ldo的傳遞函數(shù)具有幾個(gè)影響穩(wěn)定性的極點(diǎn): a.主極點(diǎn)(圖4中的p0)由誤差放大器決定;它是由放大器的gm通過內(nèi)部補(bǔ)償電容ccomp一起控制和確定的。主極點(diǎn)對(duì)上述所有l(wèi)do結(jié)構(gòu)都是共同的。 b.第二極點(diǎn)(p1)由輸出電抗(指輸出電容和負(fù)載電容以及負(fù)載阻抗)決定。這使得應(yīng)用問題更難處理，因?yàn)檫@些電抗會(huì)影響環(huán)路的增益和帶寬。 c.第三極點(diǎn)(p2)由調(diào)整管附近的寄生電容決定。在相同條件下，pnp功率晶體管的單位增益頻率(ft)比npn晶體管的ft低很多。 圖4 ldo的幅頻響應(yīng)。 如圖4所示，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生每10倍頻程20db的增益下降并且伴隨90 °的相移。因?yàn)檫@里所討論的ldo有多個(gè)極點(diǎn)，所以如果單位增益頻率處的相移達(dá)到-180 °，線性穩(wěn)壓器會(huì)變得不穩(wěn)定。圖4還示出了容性負(fù)載對(duì)穩(wěn)壓器的影響，其等效串聯(lián)電阻(esr)會(huì)在傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)(zesr)。該零點(diǎn)有助于補(bǔ)償其中一個(gè)極點(diǎn)，并且如果該極點(diǎn)出現(xiàn)在單位增益頻率以下時(shí)有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點(diǎn)的相移低于-180 °。 esr對(duì)于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的，特別對(duì)于使用縱向pnp調(diào)整管的ldo。然而，由于電容器的寄生特性，所以esr不總是好控制。電路可能需要esr集中在某個(gè)窗口范圍內(nèi)以確保ldo工作在對(duì)于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域(見圖5)。 圖5 穩(wěn)定性隨輸出電流iout和負(fù)載電容的esr變化。 雖然原則上選擇具有合適esr的合適電容器(要求頻率響應(yīng)曲線在穿過0 db之前下降得足夠快，并且在達(dá)到相關(guān)極點(diǎn)p2之前向低于0 db增益方向減小得足夠滿)非常困難。實(shí)際考慮還會(huì)增加更多的困難:esr隨著產(chǎn)品型號(hào)變化;大批量生產(chǎn)使用的最小電容值需要進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，包括最小環(huán)境溫度和最大負(fù)載的極端條件。電容器類型的選擇也很重要。最合適的電容器是鉭電解電容器，盡管具有大容量的鉭電解電容器尺寸很大。多層陶瓷電容類型無法為普通的ldo提供足夠的電容，但是它們這種穩(wěn)定的低電容適合于新型ldo。鋁電解電容器的尺寸很小，但其esr在低溫時(shí)會(huì)變差，并且在-30 °c以下無法正常工作。

低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計(jì)和外部旁路、補(bǔ)償電路的影響。圖3是低壓差線性穩(wěn)壓器的簡單結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來源是基準(zhǔn)電路(voltage reference)模塊，其產(chǎn)生的基準(zhǔn)噪聲在輸出端被放大。此外，影響低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲的其他因素還有:低壓差線性穩(wěn)壓器內(nèi)部放大器的極點(diǎn)、零點(diǎn)和輸出極點(diǎn)，外部輸出電容的容值和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(esr)值，以及負(fù)載值。 圖3 低壓差線性穩(wěn)壓器簡單結(jié)構(gòu) 降低輸出噪聲的方法 ● bp 端加旁路電容 為降低基準(zhǔn)噪聲，需要在基準(zhǔn)的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在低壓差線性穩(wěn)壓器內(nèi)部或由外部電路實(shí)現(xiàn)。但內(nèi)置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加了芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。為此，有些低噪聲低壓差線性穩(wěn)壓器芯片只是提供一個(gè)基準(zhǔn)的引腳bp(bypass),用于連接基準(zhǔn)旁路電容。 連接基準(zhǔn)旁路電容可降低基準(zhǔn)噪聲，使基準(zhǔn)噪聲成為產(chǎn)生低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲的次要因素。建議使用典型值為 470pf~0.01μf的陶瓷電容，也可使用此范圍以外的電容，但會(huì)對(duì)輸入電源上電時(shí)低壓差線性穩(wěn)壓器 輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響。旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時(shí)要注意這點(diǎn)。 圖4為旁路電容對(duì)sg2001輸出噪聲的影響。由圖可見，隨著旁路電容的增大，輸出噪聲也會(huì)有一定程度的減少。 圖4 旁路電容對(duì)sg2001輸出噪聲的影響 ● 減小低壓差線性穩(wěn)壓器的負(fù)載電流。 負(fù)載電流也會(huì)在一定程度上影響低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲。圖5為負(fù)載電流對(duì)sgm2007輸出噪聲影響。由圖可見，隨著負(fù)載電流的增大，輸出噪聲也會(huì)有一定的增加。為了減小負(fù)載電流對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲的影響，要盡量選擇輸出電流大的低壓差線性穩(wěn)壓器。 圖5 負(fù)載電流對(duì)低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲的影響 ● 增大低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電容 低壓差線性穩(wěn)壓器需要連接外部輸入和輸出電容器。利用較低esr的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(psrr)、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)槠鋬r(jià)格低且故障模式是斷路模式。此外，輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(esr)也會(huì)影響其穩(wěn)定性。陶瓷電容器具有較低的esr，大概為10 mΩ量級(jí)。

1.輸出電壓(output voltage) 輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用穩(wěn)壓器時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù)。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)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(jīng)過廠家精密調(diào)整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設(shè)定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求，但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。 2.最大輸出電流(maximum output current) 用電設(shè)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(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。 3.輸入輸出電壓差(dropout voltage) 輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0v 的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5v 電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0v。 4.接地電流(ground pin current) 接地電路ignd 是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流，但是采用pnp 晶體管作串聯(lián)調(diào)整管元件時(shí)，這種習(xí)慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。 5.負(fù)載調(diào)整率(load regulation) 負(fù)載調(diào)整率可以通過圖1和以下式子1來定義，ldo 的負(fù)載調(diào)整率越小，說明ldo 抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。 如圖1 output voltage&output current 6.線性調(diào)整率(line regulation) 線性調(diào)整率可以通過圖2和以下式子2來定義，ldo 的線性調(diào)整率越小，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓影響越小，ldo 的性能越好。 圖2 output voltage&input voltage 7.電源抑制比( psrr) ldo 的輸入源往往許多干擾信號(hào)存在。psrr 反映了ldo 對(duì)于這些干擾信號(hào)的抑制能力。