在半導(dǎo)體制造中，技術(shù)發(fā)展催生了片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)，只要將模擬、數(shù)字和射頻等子系統(tǒng)集成到特定的硅芯片中，這意味著不同的系統(tǒng)模塊使用不同的電源。

與此同時，電源管理系統(tǒng)使用了不同的電源電路，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。在本文中，小編主要介紹低壓差穩(wěn)壓器主要特點和電路原理等相關(guān)知識。

什么是低壓差穩(wěn)壓器?

低壓差穩(wěn)壓器英文簡稱LDO，它是一種具有成本效益且簡單的穩(wěn)壓器，主要功能是從高輸入電壓中獲得穩(wěn)定的o/p電壓。

低壓差穩(wěn)壓器的主要特點是，只要提供穩(wěn)定的o/p電壓，它就能在其兩端產(chǎn)生極低的電壓降。因此，這允許穩(wěn)壓器在電池輸入電壓接近必要的穩(wěn)壓o/p電壓的情況下用于功率關(guān)鍵電池的應(yīng)用。

低壓差穩(wěn)壓器使用可變輸入來提供穩(wěn)定、持續(xù)受控、低噪聲的 DC o/p電壓，也就是說，低壓差穩(wěn)壓器是一個線性穩(wěn)壓器，在輸入和輸出之間包含一個小的壓降，即使在o/p電壓非常接近 i/p電壓時也能正常工作，不像線性穩(wěn)壓器需要巨大的壓降在輸入和輸出之間正常運(yùn)行。與線性型等其他電壓調(diào)節(jié)器相比，該電壓調(diào)節(jié)器沒有開關(guān)噪聲且器件尺寸更小。

低壓差穩(wěn)壓器原理上與一般線性穩(wěn)壓器基本相同，區(qū)別在于低壓差穩(wěn)壓器輸出端的功率由NPN晶體管共集極架構(gòu)改為PNP集電極開路架構(gòu)，這樣只要利用對地的電壓差就能讓晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，因此輸入端只需高出輸出端多于功率晶體管的飽和電壓，穩(wěn)壓器就能穩(wěn)定輸出電壓。

低壓差穩(wěn)壓器理論基礎(chǔ)

低壓差穩(wěn)壓器可以在輸入和輸出之間的低電位變化下工作。有時，它也被稱為低損耗型或飽和型線性穩(wěn)壓器。一般穩(wěn)壓器能穩(wěn)定工作的最低電壓低于1V。

1、壓差電壓

在線性穩(wěn)壓器中，晶體管位于VIN和VO之間，獲得恒定晶體管操作所需的最小電位差異稱為壓降電壓。一旦輸入和輸出之間的電壓差異下降到壓差電壓以下，則晶體管無法保持恒定工作并且o p電壓降低。

通過這種方式，無論是線性穩(wěn)壓器還是低壓差穩(wěn)壓器，都可以設(shè)置所需的最小輸入電壓以確保該過程正常運(yùn)行。在這種情況下，VO+壓差(Dropout Voltage)是最小工作電壓。一旦i/p電壓低于最低工作電壓，則o/p電壓將不是恒定的。

2、LDO結(jié)構(gòu)

下圖顯示了LDO的基本框圖。LDO的主要組件是參考電壓、差分放大器(誤差放大器)和傳輸元件(場效應(yīng)晶體管)。

差分放大器的正輸入檢查通過R1和R2等電阻器部分測量的輸出的劃分，而放大器負(fù)引腳上的i/p可以來自穩(wěn)定的參考電壓。

低壓差穩(wěn)壓器工作原理

LDO穩(wěn)壓器的工作原理類似于普通的直流線性穩(wěn)壓器，但它包括三個基本組件，如傳輸元件、參考電壓源和誤差放大器。通常，通路元件是P溝道和N溝道FET，也稱為PNP或NPN。在LDO電路中，輸入電壓被提供給一個傳輸元件，如N溝道FET。

該FET的操作可以在線性區(qū)域中完成，以將輸入電壓降低到必要的輸出電壓以下。

誤差放大器或差分放大器通過將輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較來檢測輸出電壓。所以這種放大器將FET的柵極端向合適的工作端修改，以確保o/p處于準(zhǔn)確的電壓。一旦輸入電壓發(fā)生變化，差分放大器就會改變場效應(yīng)晶體管以保持穩(wěn)定的輸出電壓。在穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境中，這種穩(wěn)壓器就像一個簡單的電阻器一樣工作。

當(dāng)然，一些低壓差穩(wěn)壓器存在固定和可變o/p電壓版本，以根據(jù)需要調(diào)節(jié)o/p電壓。這些穩(wěn)壓器還包括一個啟用引腳，用于操作穩(wěn)壓器，以便幫助設(shè)計人員控制穩(wěn)壓器，從而在不使用電池時防止電池使用。

低壓差穩(wěn)壓器主要組成部分

低壓差穩(wěn)壓器的主要包括以下幾個組成部分。

1、參考電壓;在任何穩(wěn)壓器中，電壓基準(zhǔn)都是初始點，因為它位于差分放大器的工作端。通常，可以使用帶隙類電壓基準(zhǔn)，因為它允許在低壓電源下工作。

2、差分放大器/誤差放大器;誤差放大器設(shè)計的主要要求是它應(yīng)該消耗盡可能小的電流。放大器的輸出電阻必須盡可能低，因為傳輸晶體管的柵極電容會很大。通過分壓器網(wǎng)絡(luò)平衡下來的o/p電壓是誤差放大器的一個輸入，而另一個輸入可以是參考電壓。因此，經(jīng)過對比，該放大器可以調(diào)節(jié)傳輸元件的電阻。

3、反饋;電阻電壓的分壓器反饋對于縮小o/p電壓是可靠的，它允許使用差分放大器通過參考電壓對其進(jìn)行評估。

4、通過元素;在低壓差穩(wěn)壓器中，傳輸元件負(fù)責(zé)將電流從輸入傳輸?shù)截?fù)載，并通過反饋環(huán)路內(nèi)的差分放大器驅(qū)動。通常，MOSFET用作傳輸元件。

5、輸出電容;在LDO中，這是一個必不可少的組件，因為它確保在整個負(fù)載瞬態(tài)期間電流可以立即流向負(fù)載，直到差分放大器準(zhǔn)備就緒。電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 非常重要，因為它會阻止電流從電容器流向負(fù)載。所以對于等效串聯(lián)電阻范圍為10mΩ – 300mΩ的電容器 (1μF)，可行的電容器類型是陶瓷電容器、聚合物電解電容器和低ESR鉭電容器。

低壓差穩(wěn)壓器主要參數(shù)

1、靜態(tài)電流;靜止?fàn)顟B(tài)可以定義為不活動的狀態(tài)。因此，一旦激活，則該電流可以在待機(jī)模式下在整個系統(tǒng)中汲取，否則不連接負(fù)載。靜態(tài)和關(guān)機(jī)等電流都是不同的術(shù)語。靜態(tài)電流是指在沒有連接燈或未連接負(fù)載時整個系統(tǒng)汲取的電流，而關(guān)斷電流是在設(shè)備停用后汲取的電流，但是，電源/電池仍然與設(shè)備相連。

2、PSRR(電源抑制比)電源抑制比 (PSRR) 可以定義為LDO拒絕AC元素(如紋波電壓)的能力。PSRR可以通過以下公式表示：

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

3、負(fù)載調(diào)節(jié);這種調(diào)節(jié)可以定義為電路在負(fù)載條件變化的情況下保持特定輸出電壓的能力。所以，這個負(fù)載調(diào)節(jié)可以表示為：

負(fù)載調(diào)整率 = ΔVout/ ΔIout

4、線路調(diào)節(jié);線路調(diào)節(jié)可以定義為電路通過改變輸入電壓來保持特定輸出電壓的能力，可以表達(dá)如下：

負(fù)載調(diào)節(jié) = ΔVout / ΔVin、

5、瞬態(tài)響應(yīng);瞬態(tài)響應(yīng)可以定義為負(fù)載電流階躍變化的最高允許o/p電壓差，也可以稱為線階躍響應(yīng)。這是輸出電容值 (Cout) 函數(shù)、o/p 電容的 ESR(等效串聯(lián)電阻)、Cb(旁路電容)和 (Iout, max) 最高負(fù)載電流，最高瞬態(tài)電壓差可以表示如下：

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

低壓差穩(wěn)壓器主要特點

欠壓鎖定

電流限制

TSD(熱關(guān)斷)

輸出放電

低壓差穩(wěn)壓器優(yōu)缺點

低壓差穩(wěn)壓器是一種直流線性穩(wěn)壓器，即使電源電壓非常接近o/p電壓，這種穩(wěn)壓器也可用于調(diào)節(jié)o/p電壓。

與DC-DC穩(wěn)壓器相比，這種穩(wěn)壓器具有不存在開關(guān)噪聲、器件尺寸小、設(shè)計更簡單等諸多優(yōu)點。

低壓穩(wěn)壓器的缺點是，與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，線性直流穩(wěn)壓器應(yīng)通過調(diào)節(jié)裝置分解電源以控制輸出電壓。

低壓差穩(wěn)壓器主要應(yīng)用

蜂窩電話

高效線性電源

掌上電腦、筆記本電腦和筆記本電腦

DC/DC模塊和SMPS后置穩(wěn)壓器

電池供電設(shè)備

個人電子產(chǎn)品或消費(fèi)電子產(chǎn)品

VPP調(diào)節(jié)或開關(guān) & PCMCIA VCC

低噪聲和高PSRR等LDO用于無線和有線通信。

低功率和小尺寸類型用于便攜式設(shè)備。

用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的耐高壓。

大功率 LDO 用于數(shù)字內(nèi)核電源。

總結(jié)

在電源管理系統(tǒng)中，低壓差穩(wěn)壓器是最重要的電子元器件，尤其是通過電池運(yùn)行的設(shè)備。這些穩(wěn)壓器可以通過穩(wěn)定的輸出提供多個電壓電平。

另外，低壓差穩(wěn)壓器的輸出電壓與負(fù)載阻抗、溫度和輸入電壓的變化無關(guān)，這是一種線性穩(wěn)壓器，可在輸入和輸出之間的極低電位差下運(yùn)行。