低壓差穩(wěn)壓器選擇

摘要：本文介紹低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的基本結(jié)構(gòu)和使用技巧以確保其穩(wěn)定工作。我們還討論ADI公司LDO系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可提供一種保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和直流（DC）穩(wěn)定性的靈活方法。

關(guān)鍵詞：LDO；ADI；直流穩(wěn)定性；穩(wěn)壓器

　　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。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。

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(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)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。

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(wèn)題。這個(gè)問(wèn)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(wú)關(guān)的恒定電壓。因?yàn)閷?duì)于任何高增益反饋環(huán)路來(lái)說(shuō)，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(wèn)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)：

　　·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(guò)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LDO結(jié)構(gòu)都是共同的。

　　·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(wèn)題更難處理，因?yàn)檫@些電抗會(huì)影響環(huán)路的增益和帶寬。

　　·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(guò)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。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(wú)法正常工作。多層陶瓷電容類型無(wú)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。