淺談低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的壓差和功耗

摘要：本文論述了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本原理和壓差（Dropout）功耗（Power Dissipation）

Abstract:This paper discusses Low Dropout Line Regulator（LDO）fundamental principle and Dropout，Power Dissipation

關(guān)鍵詞：低壓差線性穩(wěn)壓器, 壓差，功耗

KeyWords：LDO, Dropout，Power Dissipation

便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開(kāi)發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí)，諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器，一般都設(shè)有幾個(gè)不同的工作狀態(tài)，通過(guò)一系列不同的節(jié)能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對(duì)電池容量的消耗。即當(dāng)用戶(hù)的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí)，處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。[1]帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是不錯(cuò)的選擇。
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)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(kāi)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，即：

VOUT=（R1+R2）/R2 * Vref

產(chǎn)生壓差的主要原因是，在調(diào)整元件中有一個(gè)P溝道的MOS管。當(dāng)LDO工作時(shí)MOS管道通等效為一個(gè)電阻，RDS(ON),

VDROPOUT = VIN - VOUT = RDS(ON) x IOUTR.

由此得出低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的一個(gè)重要特性，在輸入電壓大于最小工作電壓和輸出電壓其標(biāo)稱(chēng)值范圍內(nèi)，負(fù)載電流為零時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化，這就是LDO的跟隨特性，待輸出電壓達(dá)到其標(biāo)稱(chēng)值后不隨輸入而變化，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的，這就是LDO的穩(wěn)壓特性。如圖為圣邦微電子的SGM2007輸入電壓和輸出電壓的曲線。

在測(cè)試壓差（Dropout）時(shí)不同的廠家有不同的標(biāo)準(zhǔn)。德州儀器（TI）電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2％時(shí)的輸入、輸出電壓的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV時(shí)的輸入、輸出電壓的差值. 如圖為圣邦微電子的SGM2007負(fù)載為300mA時(shí)輸入電壓和輸出電壓的曲線。

如圖在箭頭范圍內(nèi)，輸入和輸出和箭頭組成的圖形在一定范圍內(nèi)近試為平行四邊形，在平行四邊的邊上任取一點(diǎn)，做與另一邊平行的線段，由平行四邊形的定義可知和另一邊相等。所以這兩種測(cè)試方法只是取值點(diǎn)不同而已，對(duì)同一芯片而言，兩種方法測(cè)得值幾乎相同。在TMT生產(chǎn)測(cè)試中，也有兩種測(cè)試方法，一種是循環(huán)法，輸入在某一個(gè)確定值時(shí),以步長(zhǎng)為1mV下降，至道輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2％，或輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV時(shí)停止，這種方法循環(huán)的步長(zhǎng)越多，測(cè)試的時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)芯片的成本就越高，令一種方法是，輸入固定電壓法，輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形，只要我的取值點(diǎn)在平行四邊形內(nèi)，測(cè)得的值就是相同的，所以通常是根據(jù)具體的LDO 的Dropout的大小，輸入加上某一個(gè)值，使輸出電壓約等于較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2％或較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV。例如Dropout在150mA時(shí)為100mV,那么輸入可以等于輸出，這樣測(cè)的輸出比標(biāo)稱(chēng)值小于100mV，等于這樣測(cè)一次就可以了，節(jié)約了大量的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

單體鋰離子電池充足電時(shí)的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，而有些標(biāo)定電壓為3.3V工作的微處理器DSP的最低工作電壓可以達(dá)到2.9V。這樣LDO輸出值在小于標(biāo)稱(chēng)值的一定范圍內(nèi)還是可以工作的。由上圖可見(jiàn)，LDO的壓差越小，輸入和輸出和箭頭組成的圖形近試平行四邊形越長(zhǎng)，LDO的工作時(shí)間就越長(zhǎng)效率就越高，電池的待機(jī)時(shí)間也就會(huì)越長(zhǎng)。

低壓差線性穩(wěn)壓器由于存在壓差，它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱(chēng)的3.6V，在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%，因此在手機(jī)中產(chǎn)生了一些發(fā)熱點(diǎn)，并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實(shí)存在這些缺點(diǎn)，但是當(dāng)電壓差較小時(shí)，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。

低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來(lái)計(jì)算最?lèi)毫忧闆r下的功耗：

PD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:PD = 最?lèi)毫忧闆r下的實(shí)際功耗，VINMAX = VIN 腳上的最大電壓，VOUTMIN = 穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ILMAX = 最大( 負(fù)載) 輸出電流。

最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(TAMAX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125°C) 和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻（θJA) 的函數(shù)。對(duì)于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23A封裝器件，其（θJA)約為250°C/Watt。

PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ θJA

VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125°C，TAMAX = +55°C

實(shí)際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗: PDMAX= 280mW.

在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的使用過(guò)程中一定要注意合理分配LDO實(shí)際功耗，不要超過(guò)他的最大功耗。以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

1． 顏重光 便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)

2． Microchip Tc2014 datasheet