探索NCP731 LDO穩(wěn)壓器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在電子設(shè)計領(lǐng)域，低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）是至關(guān)重要的組件，它能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。今天我們要深入了解的是安森美（onsemi）的NCP731 LDO穩(wěn)壓器，看看它有哪些獨特之處，以及在實際應(yīng)用中如何進行設(shè)計。

文件下載：onsemi NCP731低噪聲CMOS LDO穩(wěn)壓器.pdf

1. NCP731概述

NCP731是一款CMOS LDO穩(wěn)壓器，具備非常低的噪聲、低靜態(tài)電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及較寬的輸入和輸出電壓范圍等特點。它的輸入電壓最高可達38V，輸出電流為150mA，極低的噪聲（8 VRMS）使其成為對系統(tǒng)性能要求較高的應(yīng)用的理想選擇，例如為運算放大器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等精密模擬電路供電。同時，內(nèi)部的短路和過溫保護功能能有效保護器件免受過載情況的影響。

框圖

1.1 關(guān)鍵特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.7V至38V，輸出電壓可調(diào)范圍為1.2V至35V，還有3.3V和5.0V的固定輸出電壓版本可供選擇。
• 低噪聲：在10Hz至100kHz的頻率范圍內(nèi)，噪聲僅為8 VRMS。
• 低靜態(tài)電流：典型值為48μA，關(guān)機電流典型值為100nA。
• 低壓差：在150mA輸出電流時，典型壓差為290mV。
• 高精度輸出電壓：在25°C時，輸出電壓精度為±0.6%。
• 可編程軟啟動電路：通過連接電容可設(shè)置軟啟動時間。
• 穩(wěn)定性好：使用小至1μF的陶瓷電容即可保持穩(wěn)定。
• 保護功能齊全：具備過流和熱關(guān)斷保護。
• 環(huán)保封裝：采用Micro - 8 EP封裝，無鉛且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

2. 引腳功能與參數(shù)

2.1 引腳描述

2.2 最大額定值

NCP731的各個引腳和參數(shù)都有其最大額定值，例如輸入電壓為 - 0.3V至40V，輸出電壓根據(jù)不同版本有所限制，EN引腳電壓為 - 0.3V至（VIN + 0.3）V等。在設(shè)計時，必須確保各引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會損壞器件。

2.3 電氣特性

文檔中給出了在特定測試條件下（如$V{IN }=V{OUT - NOM }+1 ~V$ ，$V{E N}=1.2 ~V$ ，$I{OUT }=1 ~mA$ 等）的電氣特性參數(shù)，這些參數(shù)能幫助我們了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，輸出電壓的紋波、靜態(tài)電流、壓差等參數(shù)，對于評估穩(wěn)壓器的性能至關(guān)重要。

3. 典型特性曲線

文檔中提供了大量的典型特性曲線，展示了NCP731在不同條件下的性能表現(xiàn)。

3.1 輸出電壓相關(guān)特性

包括輸出電壓與溫度、負載的關(guān)系曲線。從這些曲線中我們可以看出，輸出電壓在不同溫度和負載條件下的穩(wěn)定性。例如，隨著溫度的升高，輸出電壓可能會有一定的變化，我們可以根據(jù)曲線來評估這種變化是否在系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)。

3.2 噪聲特性

有多條關(guān)于輸出電壓噪聲密度的曲線，展示了噪聲密度與輸出電壓、輸入電壓、輸出電容、負載電流等因素的關(guān)系。在對噪聲要求較高的應(yīng)用中，這些曲線能幫助我們選擇合適的參數(shù)，以降低輸出電壓的噪聲。

3.3 電源抑制比（PSRR）特性

PSRR曲線展示了PSRR與不同參數(shù)（如輸出電容、輸入電壓、負載電流等）的關(guān)系。PSRR反映了穩(wěn)壓器對輸入電壓紋波的抑制能力，較高的PSRR值意味著穩(wěn)壓器能更好地抑制輸入電壓的波動，提供更穩(wěn)定的輸出電壓。

3.4 瞬態(tài)響應(yīng)特性

負載瞬態(tài)響應(yīng)和線路瞬態(tài)響應(yīng)曲線展示了穩(wěn)壓器在負載或輸入電壓突然變化時的響應(yīng)能力。快速的瞬態(tài)響應(yīng)能確保在負載或輸入電壓突變時，輸出電壓能迅速恢復(fù)穩(wěn)定，避免對系統(tǒng)造成不良影響。

4. 應(yīng)用信息

4.1 電容選擇

• 輸入電容（CIN）：為保證器件的穩(wěn)定性，輸入電容應(yīng)盡可能靠近器件連接，其值至少為1μF，且越大越好。陶瓷電容（如X5R、X7R）因其低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）而被推薦使用。在LDO輸入電源負載瞬態(tài)響應(yīng)較差或輸出阻抗較高的情況下，輸入電容需要顯著增大至幾十μF，以避免輸入電壓下降到最低水平以下。
• 輸出電容（COUT）：LDO要求輸出電容盡可能靠近輸出和接地引腳連接。輸出電容的有效電容范圍為1μF至1000μF，ESR范圍為1mΩ至50mΩ。同樣推薦使用陶瓷電容（如X5R、X7R），因為它們在指定溫度范圍內(nèi)的電容變化較小且ESR較低。較大的電容值和較低的ESR能改善負載瞬態(tài)響應(yīng)、PSRR和輸出電壓噪聲，因此推薦使用10μF的輸出電容。

4.2 輸出電壓設(shè)置

NCP731提供固定輸出電壓（FIX）和可調(diào)輸出電壓（ADJ）兩種版本。

• FIX版本：輸出電壓等于LDO的標(biāo)稱輸出電壓$V_{OUT - NOM}$。
• ADJ版本：可通過外部電阻分壓器連接到OUT、ADJ和GND引腳來調(diào)節(jié)輸出電壓，計算公式為$V{OUT }=V{ADJ } \cdot\left(1+\frac{R{1}}{R{2}}\right)+I{ADJ} \cdot R{1}$ ，其中$V{ADJ}$為ADJ版本的參考電壓（1.2V），$I{ADJ}$為ADJ引腳的輸入電流。文檔中還給出了一些電阻分壓器的示例值，供我們參考。

4.3 啟動過程

NCP731的啟動過程由兩個主要內(nèi)部信號觸發(fā)：IN引腳欠壓鎖定（UVLO）信號和使能信號。當(dāng)這兩個信號都變?yōu)楦唠娖綍r，啟動過程開始。前饋電容（$C{FF}$）會影響輸出電壓的上升時間和形狀，當(dāng)$C{FF}$小于或略大于軟啟動電容（$C{SS}$）時，輸出電壓線性上升，且上升時間可通過$C{SS}$進行編程。

4.4 熱保護與功耗計算

當(dāng)LDO的管芯溫度超過熱關(guān)斷閾值時，器件會內(nèi)部禁用，直到溫度下降到熱關(guān)斷滯后值以下才會重新啟用。熱關(guān)斷功能可防止器件因過熱而損壞。功率耗散可通過公式$P{DIS }=\frac{T{J}-T{A}}{R{\theta JA}}$ 或$P{DIS }=\frac{T{J}-T{B}}{R{\theta JB}}$ 計算，其中$T{J}$為結(jié)溫，$T{A}$為環(huán)境溫度，$T{B}$為板溫度，$R{\theta JA}$和$R_{\theta JB}$分別為結(jié)到環(huán)境和結(jié)到板的熱阻。通過這些公式，我們可以計算出最大允許的功率耗散和負載電流，避免器件過熱。

4.5 PCB布局建議

為獲得良好的LDO穩(wěn)定性和最佳的瞬態(tài)、PSRR和輸出電壓噪聲性能，應(yīng)將輸入和輸出電容盡可能靠近器件引腳放置，PCB走線應(yīng)寬而短，并將電容放置在與LDO相同的PCB銅層上，避免通過過孔連接。對于高阻抗的ADJ/FF和SS引腳，應(yīng)防止其走線與應(yīng)用中的任何開關(guān)信號發(fā)生電容耦合。GND引腳和外露焊盤必須連接到PCB的GND平面，以實現(xiàn)良好的功率擴散。

5. 總結(jié)

NCP731是一款性能出色的LDO穩(wěn)壓器，具備低噪聲、低靜態(tài)電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，適用于多種對電源穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電容、設(shè)置輸出電壓、考慮啟動過程和熱保護等因素，并遵循PCB布局建議，以確保穩(wěn)壓器能發(fā)揮最佳性能。你在使用LDO穩(wěn)壓器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。