在系統(tǒng)中成功運用低壓差穩(wěn)壓器研究

低壓差穩(wěn)壓器（LDO）能夠在很寬的負載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個電壓差被稱為壓降或裕量要求，在負載電流為2A時可以低至80mV。可調(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器于1977年首次推出?，F(xiàn)在，便攜設(shè)備需要使用的低壓差線性穩(wěn)壓器經(jīng)常多達20個。最新便攜設(shè)備中的許多LDO被集成進了多功能電源管理芯片（PMIC）——這是高度集成的系統(tǒng)，擁有20個或以上的電源域，分別用于音頻、電池充電、設(shè)備管理、照明、通信和其它功能。

然而，隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成式PMIC已經(jīng)無法滿足外設(shè)電源要求。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段必須增加專用LDO來給各種選件供電，如相機模塊、藍牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來輔助降低噪聲，解決由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線造成的穩(wěn)壓問題，并通過關(guān)閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率。

本文將討論基本的LDO拓撲，解釋關(guān)鍵的性能指標，并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。同時使用ADI公司LDO產(chǎn)品系列的設(shè)計特征進行示例說明。

圖1：采用低壓差 （Vout和在額定負載電流時Vin的最低給定值之間的差值） 技術(shù)穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖。

基本的LDO架構(gòu)。LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成，如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供。傳輸器件的柵極電壓由誤差放大器控制——誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進行比較，然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低，允許更多的電流通過，進而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限制電流流動、降低輸出電壓。

這種閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個主要的極點，一個是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點，另一個是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）組成的外部極點。輸出電容及其ESR將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負載電流瞬態(tài)變化的響應性能。為了確保穩(wěn)定性，推薦1Ω或以下的ESR值。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬態(tài)變化。電容值越大，LDO的瞬態(tài)響應性能越好，但會延長啟動時間。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時可以在規(guī)定工作條件下達到很好的穩(wěn)定性能。

LDO效率：提高效率一直是設(shè)計工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流（Iq）和前向壓降。

由于Iq在分母上，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當?shù)偷腎q。當Iq遠小于ILOAD時，在效率計算公式中可以忽略Iq。這樣，LDO的效率公式可以簡化為（Vo/Vin）*100%。由于LDO無法存儲大量的未使用能量，沒有提供給負載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。

LDO可以提供穩(wěn)定的電源電壓，這種電壓與負載和線路變化、環(huán)境溫度變化和時間流逝無關(guān)，并且當電源電壓和負載電壓之間的壓差很小時具有最高的效率。例如，隨著鋰離子電池從4.2V（滿充狀態(tài)）下降到3.0V（放電后狀態(tài)），與該電池連接的2.8V LDO將在負載處保持恒定的2.8V（壓差小于200mV），但效率將從電池滿充時的67%增加到電池放電后的93%。

為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌，例如使用3.3V開關(guān)穩(wěn)壓器。LDO效率固定為85%，假設(shè)開關(guān)穩(wěn)壓器效率為95%，那么系統(tǒng)總效率將是81%。

電路特性增強LDO性能： 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關(guān)閉，并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電。軟啟動可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時間。睡眠狀態(tài)能使漏電流最小，這個特性在電池供電系統(tǒng)中特別有用，并且允許快速啟動。當LDO的溫度超過規(guī)定值時，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉LDO。過流保護電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的最小值時禁止輸出。圖2是用于便攜設(shè)計的典型電源系統(tǒng)簡圖。

圖2：便攜系統(tǒng)中的典型電源域。

理解線性穩(wěn)壓器要求

LDO用于數(shù)字負載：像ADP170和ADP1706這類數(shù)字線性穩(wěn)壓器設(shè)計用于支持系統(tǒng)的主要數(shù)字要求，通常是微處理器內(nèi)核和系統(tǒng)輸入/