低壓差穩(wěn)壓器的選擇
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時(shí)間：2011-04-15
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
穩(wěn)壓器用于提供一種不隨負(fù)載阻抗、輸入電壓、溫度和時(shí)間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓。低壓差穩(wěn)壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負(fù)載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱(chēng)。例如，如果鋰電池電壓從4.2 V（全充電）下降到2.7 V（幾乎全放電），而LDO可在負(fù)載端保持2.5 V恒定電壓。便攜式應(yīng)用的日益增加使得設(shè)計(jì)工程師考慮使用LDO保持所需的系統(tǒng)電壓，而與電池充電狀態(tài)無(wú)關(guān)。便攜式系統(tǒng)不是受益于LDO的唯一應(yīng)用，任何需要穩(wěn)定恒定電壓，同時(shí)使上流電源電壓最小（或者能處理上流電源大幅度波動(dòng)）的設(shè)備都可以考慮使用LDO。典型實(shí)例包括使用數(shù)字和射頻（RF）負(fù)載的電路。
“線性”串聯(lián)穩(wěn)壓器（見(jiàn)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。
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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(chēng)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(lèi)：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(jiàn)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。
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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(lèi)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(lèi)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。
如何選擇最佳穩(wěn)壓器
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(lèi)型和范圍（例如穩(wěn)壓器前面的DC/DC變換器或開(kāi)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(lèi)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(guò)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。
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(lèi)型的調(diào)整管，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類(lèi)型對(duì)LDO分類(lèi)。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(lèi)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。
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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)镻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筞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。
評(píng)論