關於線性穩壓器的五個設計細節

• 來源：hth体育官网登录 更新時間：2020-10-14 14:58:12點擊：6次

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  關(guan) 於(yu) 線性穩壓器的五個(ge) 設計細節

   

  本文來源：互聯網

  
  

  　　查找線性穩壓器時，麵對無限多的產(chan) 品型號，利用參數搜索工具可以把選擇範圍縮小到少數幾個(ge) ，看起來非常簡單。需要什麽(me) 樣的輸出電壓？負載電流是多少？承受的輸入電壓範圍如何？穩壓器需要工作在什麽(me) 壓差下？   輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？接下來是細節處理。如果負載對電源波動非常敏感怎麽(me) 辦？可能要求極低的輸出噪聲和很高的 PSRR。如果設計采用電池供電，則對靜態電流的要求也會(hui) 非常嚴(yan) 格。

   

  　　現在，您已經將範圍縮小到那些能夠滿足具體(ti) 應用的器件。但這並沒結束。在   終決(jue) 定之前，以下 5 個(ge) 因素還需要考慮。

   

  　　穩壓器如何啟動？

   

  　　接近   壓差時，靜態電流是否依然保持在非常低？

   

  　　對於(yu) 實際負載，而非數據手冊(ce) 測試數據，器件的負載瞬態響應如何？

   

  　　LDO 輸出紋波是否主要取決(jue) 於(yu) PSRR，或者主要由 LDO 輸出噪聲決(jue) 定？

   

  　　器件關(guan) 斷狀態下的參數如何？

   

  　　為(wei) 什麽(me) 這些問題如此重要？實際應用中，線性穩壓器的有些表現可能使您感到很陌生，需要花費額外的時間診斷電路板的故障，甚至需要重新設計。

   

  　　本應用筆記對 LDO 的上述要點進行了闡述。希望有助於(yu) 您的線性穩壓器選型和設計。

   

  　　1. 啟動

   

  　　大多數穩壓器都配備了使能輸入，用於(yu) 控製穩壓器的上電或關(guan) 斷，以節省功耗。帶有使能輸入的穩壓器通常也帶軟啟動功能。軟啟動可防止穩壓器打開時造成輸入電源過載。軟啟動通常采用以下兩(liang) 種方式之一。

   

  　　電流軟啟動

   

  　　種方法是電流軟啟動。大多數穩壓器具有電流限值；電流軟啟動是緩升或步進到該電流限值。由於(yu) 輸出電容充電量遠遠小於(yu)   負載電流，軟啟動使得輸出電壓緩慢上升。電流軟啟動的優(you) 點是穩壓器輸入電流穩定上升，不會(hui) 將負載啟動的瞬態電流傳(chuan) 遞到輸入。

   

  　　使能負載時，大家可能會(hui) 注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個(ge) 點。這是因為(wei) 負載電路打開並嚐試在穩壓器處於(yu) 限流的條件下啟動工作。如果負載電流超過軟啟動電流，負載本身將進入欠壓狀態，造成複位。隨著負載電流的打開和關(guan) 閉，這種循環會(hui) 不斷持續。   軟啟動電流達到足夠高的水平，能夠支持負載供電，釋放複位，負載電路正常喚醒。

   

  　　電壓軟啟動

   

  　　第二種軟啟動是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會(hui) 在輸出電壓上產(chan) 生單調變化，當下遊電路開啟時不產(chan) 生任何電壓瞬變。這樣也能防止負載多次進入複位狀態，因為(wei) 輸出電壓僅(jin) 穿越負載欠壓門限   。

   

  　　電壓軟啟動期間的浪湧電流取決(jue) 於(yu) 輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負載吸收的電流。典型情況下，按照浪湧電流大約為(wei)   額定輸出電流的 1%至 10% (使用推薦的   輸出電容)來設置輸出電壓斜率。將浪湧電流設置為(wei) 小於(yu)   負載電流的 10%，為(wei) 負載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點是輸入電流與(yu) 負載變化有關(guan) ，不能直接控製；優(you) 點是能夠避免係統多次複位。

   

     

   

  　　圖 1 所示為(wei) 電流軟啟動和電壓軟啟動對比。

   

  　　圖 1. 電流軟啟動和電壓軟啟動對比

   

  　　2. 靜態電流與(yu) 壓差

   

  　　如果係統由電池供電，穩壓器的電源電流非常重要。負載電路可短暫工作，然後長時間處於(yu) 待機狀態，以節省功耗。此時，電池壽命很大程度上取決(jue) 於(yu) 穩壓器和負載的靜態電流。如果是這種情況，則要考慮選擇低靜態電流的線性穩壓器。

   

  　　假設隨著電池電量的消耗，使得輸入與(yu) 輸出之間的壓差達到很小的狀態。此時的線性穩壓器，即使負載電流非常小，也會(hui) 強製 FET 導通，   地減小輸入與(yu) 輸出之間的壓降。工作在   壓差時的潛在問題是，驅動穩壓器輸出 FET 的柵極驅動電路將消耗較大電流(圖 2)。使得“待機模式”變為(wei) “電池快速放電模式”。

   

     

   

  圖 2.    壓差條件下，MG 驅動阻抗造成靜態電流增大。

   

  　　即使很好的 IC 設計，靜態電流在   壓差條件下增大的現象也並不罕見。小壓差下的電源電流提高 2 倍很常見，有些設計甚至增大 10 倍或更多。有些器件在 EC 表或靜態電流與(yu) 輸入電壓關(guan) 係的典型工作特性曲線中給出壓差與(yu) 電源電流的對應關(guan) 係。但更多情況下，數據手冊(ce) 給出的是叫高壓差下的電源電流。

   

  　　對於(yu) 具體(ti) 應用，如果低壓差條件下的靜態電流非常重要，應選擇提供該信息的 LDO，或者進行實際測量，確定性能滿足要求。

   

  　　3. 負載瞬態響應

   

  　　負載快速變化期間，多數穩壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩壓範圍內(nei) 。負載變化時，輸出 FET 柵極驅動需要隨之變化。而柵極驅動達到新水平所需的時間決(jue) 定了輸出電壓的瞬態下衝(chong) 或過衝(chong) 。

   

  　　滿載時的快速瞬變會(hui) 造成   差情況下的瞬態下衝(chong) 。選擇穩壓器之前，須務必檢查瞬態響應。與(yu) 從(cong) 1%滿載作為(wei) 初始條件相比，從(cong) 10%滿載開始通常會(hui) 給出更好的結果；因為(wei) 10%負載預偏置與(yu) 1%負載預偏置相比，輸出 FET 柵極電壓更接近其   終值。負載從(cong) 空載變為(wei) 滿載，要想獲得較好的負載瞬態響應比較困難。

   

  　　保證穩壓器輸出負載   在一定程度上可以規避大的負載瞬變，但這不是有效的解決(jue) 方案。當穩壓器從(cong) 滿載躍變到輕載時，往往會(hui) 發生輸出過衝(chong) 。而穩壓器從(cong) 過衝(chong) 狀態恢複的過程中，器件處於(yu) 比較敏感狀態 —— 此時的輸出 FET 完全沒有偏置。這種狀態下，如果出現另   負載階躍，輸出則出現下衝(chong) ，比   次更為(wei) 嚴(yan) 重。

   

  　　如果存在任何快速開啟、關(guan) 斷負載的情況，   在類似條件下檢查每個(ge) 穩壓器的負載瞬態響應。(圖 3)所示為(wei) 雙脈衝(chong) 負載瞬變期間的性能。

   

     

   

  圖 3. 雙脈衝(chong) 負載瞬變時的輸出下衝(chong) 。

   

  　　4. 噪聲與(yu) 電源抑製比(PSRR)

   

  　　顯而易見，大多數設計用於(yu) 低噪聲輸出的穩壓器也具有優(you) 異的 PSRR。無論何種原因，負載對電源紋波都非常敏感。

   

  　　使用開關(guan) 穩壓器時，PSRR 比輸出噪聲問題更嚴(yan) 重。比如，一個(ge) 線性穩壓器的前端使用了降壓型調節器產(chan) 生的電壓作為(wei) 輸入，而其輸出端的負載又對噪聲非常敏感。如果降壓型調節器的紋波為(wei) 50mVP-P @ 100kHz，線性穩壓器在 100kHz 下的 PSRR 為(wei) 60dB，則輸出紋波為(wei) 50uVP-P，等效輸出噪聲大約 15uVRMS。而同一線性穩壓器在 10Hz 至 100kHz 帶寬範圍內(nei) 的總輸出噪聲可能小於(yu) 5uVRMS，由於(yu) PSRR 和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產(chan) 生的噪聲達到穩壓器本身噪聲的 3 倍，如(圖 4)所示。

   

   

   

  圖 4. 輸出噪聲指標變差主要取決(jue) 於(yu) PSRR。

   

  　　對於(yu) 較高的輸出電壓，線性穩壓器的輸出噪聲可能成為(wei) PSRR 的決(jue) 定因素。這是因為(wei) 分壓後的反饋輸入噪聲增大了。假如一個(ge) 線性穩壓器將噪聲較高的升壓轉換器的 17V 輸出轉換為(wei) 噪聲較小的 16V 電源，紋波小於(yu) 100uV。開關(guan) 頻率處的 PSRR 為(wei) 60dB，50mVP-P 升壓轉換器紋波將衰減到 50uVP-P，或者輸出噪聲 15uVRMS。如果采用 5uVRMS 低噪聲基準和反饋運放輸入，我們(men) 來看一下反饋輸入產(chan) 生的問題。如果反饋輸入調整在 1.25V，電阻反饋網絡將輸出設置為(wei) 16V，那麽(me) 輸出噪聲將增大到 5uVRMS x (16V/1.25V)，即 64uVRMS，這可能成為(wei) 主要的噪聲源。(圖 5)顯示了高壓輸出造成的輸出噪聲性能下降。

   

  　　在查找線性穩壓器時，如果為(wei) 噪聲敏感的負載供電，通常既需要考慮輸出噪聲，也需要考慮 PSRR。

   

  

   

  圖 5. 高壓輸出造成的噪聲性能下降。

   

  　　5. 輸入保護

   

  　　線性穩壓器的輸出調整管大多包含體(ti) 二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出 0.7V 以上。大多數情況下，該二極管不是問題，但在兩(liang) 種情況下會(hui) 引起麻煩。

   

  　　反向電壓保護

   

  　　有些情況下，輸入電壓可能接反，導致極性反轉，比如放置 9V 電池的兩(liang) 個(ge) 金屬觸點。盡管連接器能夠防止電池   性反接，但在用戶更換電池時會(hui) 有幾秒或更長時間的反向電壓。

   

  　　反向電壓保護允許輸入引腳電壓低於(yu) 地電位，不會(hui) 吸收顯著電流。為(wei) 達到這一目的，需要通過串聯開關(guan) 將輸出 FET 的體(ti) 二極管斷開。大多數穩壓器都包括二極管，防止任何引腳電壓低於(yu) 地電位，防止引腳發生靜電放電，即 ESD。為(wei) 實現反向電壓保護，也需要去除該二極管的影響，並采取不同的保護器件，參見(圖 6)。

   

  　　MAX1725 是一款具有反向電壓保護的器件，允許輸入比地電位低 12V，不會(hui) 吸收大的電流。

    

   

  圖 6. 反向電壓保護。

   

  　　反向電流保護

   

  　　線性穩壓器的反向電流保護很容易與(yu) 反向電壓保護混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出 FET 體(ti) 二極管的反向電流傳(chuan) 導，但控製方法完全不同。(圖 7)所示為(wei) 反向電流保護工作原理。

   

  　　對於(yu) 較高容性負載的情況，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩壓器供電。同時假設該線性穩壓器由大電流降壓轉換器供電，關(guan) 斷狀態下，轉換器將其輸出短路至地。我們(men) 會(hui) 毫不奇怪地發現，在   次關(guan) 斷事件期間，由於(yu) 負載電容網絡同時通過線性穩壓器的體(ti) 二極管進行放電，線性穩壓器可能被損壞。

   

  　　具有反向電流保護的線性穩壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時，斷開體(ti) 二極管，可以避免這一問題。如果輸出電壓之前在穩壓範圍內(nei) ，輸出 FET 將導通，在觸發保護電路之前，會(hui) 有少量反向電流流通。注意，反向電流保護僅(jin) 僅(jin) 消除從(cong) 輸出到輸入的電流，但在輸入引腳電壓低於(yu) 地電位時並未阻斷電流，就像反向電壓保護那樣。MAX8902 是一款具有反向電流保護的器件，在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。

   

  

   

  圖 7. 反向電流保護。

   

  　　總結

   

  　　我們(men) 以上討論了線性穩壓器的一些特殊情況，這些問題可能在數據手冊(ce) 或參數搜索中發現不了。有時候不太容易確定每款線性穩壓器會(hui) 出現哪種狀況，但了解潛在問題就為(wei) 您查找正確的器件提供了很大優(you) 勢。

  
  

  
  

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