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低压差稳压器(LDO)主要特点和电路原理

IC先生 IC先生 4255 2022-04-15 11:57:29

在半导体制造中,技术发展催生了片上系统 (SoC) 架构,只要将模拟、数字和射频等子系统集成到特定的硅芯片中,这意味着不同的系统模块使用不同的电源

与此同时,电源管理系统使用了不同的电源电路,例如DC-DC转换器、线性稳压器、开关稳压器和低压差稳压器(LDO。在本文中,小编主要介绍低压差稳压器主要特点和电路原理等相关知识。

什么是低压差稳压器?

低压差稳压器英文简称LDO,它是一种具有成本效益且简单的稳压器,主要功能是从高输入电压中获得稳定的o/p电压。

低压差稳压器的主要特点是,只要提供稳定的o/p电压,它就能在其两端产生极低的电压降。因此,这允许稳压器在电池输入电压接近必要的稳压o/p电压的情况下用于功率关键电池的应用。

低压差稳压器

低压差稳压器使用可变输入来提供稳定、持续受控、低噪声的 DC o/p电压,也就是说,低压差稳压器是一个线性稳压器,在输入和输出之间包含一个小的压降,即使在o/p电压非常接近 i/p电压时也能正常工作,不像线性稳压器需要巨大的压降在输入和输出之间正常运行。与线性型等其他电压调节器相比,该电压调节器没有开关噪声且器件尺寸更小。

低压差稳压器原理上与一般线性稳压器基本相同,区别在于低压差稳压器输出端的功率由NPN晶体管共集极架构改为PNP集电极开路架构,这样只要利用对地的电压差就能让晶体管处于饱和导通状态,因此输入端只需高出输出端多于功率晶体管的饱和电压,稳压器就能稳定输出电压。

低压差稳压器理论基础

低压差稳压器可以在输入和输出之间的低电位变化下工作。有时,它也被称为低损耗型或饱和型线性稳压器。一般稳压器能稳定工作的最低电压低于1V。

1、压差电压

在线性稳压器中,晶体管位于VIN和VO之间,获得恒定晶体管操作所需的最小电位差异称为压降电压。一旦输入和输出之间的电压差异下降到压差电压以下,则晶体管无法保持恒定工作并且o p电压降低。

通过这种方式,无论是线性稳压器还是低压差稳压器,都可以设置所需的最小输入电压以确保该过程正常运行。在这种情况下,VO+压差(Dropout Voltage)是最小工作电压。一旦i/p电压低于最低工作电压,则o/p电压将不是恒定的。

2、LDO结构

下图显示了LDO的基本框图。LDO的主要组件是参考电压、差分放大器(误差放大器)和传输元件(场效应晶体管)。

LDO结构

差分放大器的正输入检查通过R1和R2等电阻器部分测量的输出的划分,而放大器负引脚上的i/p可以来自稳定的参考电压。

低压差稳压器工作原理

LDO稳压器的工作原理类似于普通的直流线性稳压器,但它包括三个基本组件,如传输元件、参考电压源和误差放大器。通常,通路元件是P沟道和N沟道FET,也称为PNP或NPN。在LDO电路中,输入电压被提供给一个传输元件,如N沟道FET。

该FET的操作可以在线性区域中完成,以将输入电压降低到必要的输出电压以下。

误差放大器或差分放大器通过将输出电压与参考电压进行比较来检测输出电压。所以这种放大器将FET的栅极端向合适的工作端修改,以确保o/p处于准确的电压。一旦输入电压发生变化,差分放大器就会改变场效应晶体管以保持稳定的输出电压。在稳态工作环境中,这种稳压器就像一个简单的电阻器一样工作。

当然,一些低压差稳压器存在固定和可变o/p电压版本,以根据需要调节o/p电压。这些稳压器还包括一个启用引脚,用于操作稳压器,以便帮助设计人员控制稳压器,从而在不使用电池时防止电池使用。

低压差稳压器主要组成部分

低压差稳压器的主要包括以下几个组成部分。

1、参考电压;在任何稳压器中,电压基准都是初始点,因为它位于差分放大器的工作端。通常,可以使用带隙类电压基准,因为它允许在低压电源下工作。

2、差分放大器/误差放大器;误差放大器设计的主要要求是它应该消耗尽可能小的电流。放大器的输出电阻必须尽可能低,因为传输晶体管的栅极电容会很大。通过分压器网络平衡下来的o/p电压是误差放大器的一个输入,而另一个输入可以是参考电压。因此,经过对比,该放大器可以调节传输元件的电阻。

3、反馈;电阻电压的分压器反馈对于缩小o/p电压是可靠的,它允许使用差分放大器通过参考电压对其进行评估。

4、通过元素;在低压差稳压器中,传输元件负责将电流从输入传输到负载,并通过反馈环路内的差分放大器驱动。通常,MOSFET用作传输元件。

通过元素

5、输出电容;在LDO中,这是一个必不可少的组件,因为它确保在整个负载瞬态期间电流可以立即流向负载,直到差分放大器准备就绪。电容器的等效串联电阻 (ESR) 非常重要,因为它会阻止电流从电容器流向负载。所以对于等效串联电阻范围为10mΩ – 300mΩ的电容器 (1µF),可行的电容器类型是陶瓷电容器、聚合物电解电容器和低ESR钽电容器。

低压差稳压器主要参数

1、静态电流;静止状态可以定义为不活动的状态。因此,一旦激活,则该电流可以在待机模式下在整个系统中汲取,否则不连接负载。静态和关机等电流都是不同的术语。静态电流是指在没有连接灯或未连接负载时整个系统汲取的电流,而关断电流是在设备停用后汲取的电流,但是,电源/电池仍然与设备相连。

静态电流

2、PSRR(电源抑制比)电源抑制比 (PSRR) 可以定义为LDO拒绝AC元素(如纹波电压)的能力。PSRR可以通过以下公式表示:

PSRR (dB) = 20 log (Vripple(in)/Vripple(out))

3、负载调节;这种调节可以定义为电路在负载条件变化的情况下保持特定输出电压的能力。所以,这个负载调节可以表示为:

负载调整率 = ΔVout/ ΔIout

4、线路调节;线路调节可以定义为电路通过改变输入电压来保持特定输出电压的能力,可以表达如下:

负载调节 = ΔVout / ΔVin、

5、瞬态响应;瞬态响应可以定义为负载电流阶跃变化的最高允许o/p电压差,也可以称为线阶跃响应。这是输出电容值 (Cout) 函数、o/p 电容的 ESR(等效串联电阻)、Cb(旁路电容)和 (Iout, max) 最高负载电流,最高瞬态电压差可以表示如下:

ΔVtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) Δt1 + ΔVESR

低压差稳压器主要特点

  • 欠压锁定
  • 电流限制
  • TSD(热关断)
  • 输出放电

低压差稳压器优缺点

低压差稳压器是一种直流线性稳压器,即使电源电压非常接近o/p电压,这种稳压器也可用于调节o/p电压。

与DC-DC稳压器相比,这种稳压器具有不存在开关噪声、器件尺寸小、设计更简单等诸多优点。

低压稳压器的缺点是,与开关稳压器不同,线性直流稳压器应通过调节装置分解电源以控制输出电压。

低压差稳压器主要应用

  • 蜂窝电话
  • 高效线性电源
  • 掌上电脑、笔记本电脑和笔记本电脑
  • DC/DC模块和SMPS后置稳压器
  • 电池供电设备
  • 个人电子产品或消费电子产品
  • VPP调节或开关 & PCMCIA VCC
  • 低噪声和高PSRR等LDO用于无线和有线通信。
  • 低功率和小尺寸类型用于便携式设备。
  • 用于汽车和工业应用的耐高压。
  • 大功率 LDO 用于数字内核电源。

总结

在电源管理系统中,低压差稳压器是最重要的电子元器件,尤其是通过电池运行的设备。这些稳压器可以通过稳定的输出提供多个电压电平。

另外,低压差稳压器的输出电压与负载阻抗、温度和输入电压的变化无关,这是一种线性稳压器,可在输入和输出之间的极低电位差下运行。

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