LDO基础知识:工作原理及应用

电源模块是所有电子系统最基本也是最重要的功能模块。它就像是汽车的发动机一样重要。没有电源模块,现在我们常用的电子产品,不论是手机还是电脑都将无法工作。

低压差稳压器(LDO)是一种将高电压调节成稳定低电压直流输出的一种器件。在通常情况下,LDO是消费电子产品电源模块最经济有效的一种选择。本教程介绍LDO的工作原理,以及应用时的注意事项。

什么是压差

正如它名字中所暗示的那样,低压差稳压器最重要的概念之一,就是压差Dropout。首先必须牢记的概念是,LDO的输入电压VIN永远比输出电压VOUT高。当输入电压VIN低于额定输出电压VOUT(NOM)时,输出电压VOUT也会相应下降,而且永远比输入电压VIN低。

Dropout,中文翻译为压差,表记为VDO,它表示元件能稳定获得输出电压时,最小输入电压与额定输出电压的差值。输入电压VIN必须比输出电压VOUT高出至少一个压差VDO,才能保证输出电压恒压稳定。也就是说,LDO想要稳定工作,必须满足下面的公式:

VIN ≥ VOUT(NOM) + VDO

值得注意的是,VDO并不是一个一成不变的常量。它会随着输出电流IOUT发生变化。下图选自维安宽压低压差稳压器WR0338数据表:

可以看出,输出电流IOUT越大,压差VDO也越大。以WR0338为例,如果你想要获得200mA@3.3V的稳定输出,就需要保证输入电压高于3.7V(3.3V+200mA时的压差400mV)。而如果你只需要50mA@3.3V的稳定输出,保证输入电压高于3.38V(3.3V+50mA时的压差80mV)就可以了。通过下面的章节,你就会明白是什么决定了压差VDO。

LDO的结构

最简单的LDO,由一个PMOS、一个误差放大器和两个分压电阻组成,如下图所示:

如图所示,R1、R2组成了一个分压网络,接入误差放大器的正端,与负端的参考电压VREF一起调节PMOS的RDS。VIN经过RDS上产生压降,获得VOUT。在PMOS电阻RDS上产生的压降,就是我们上文所提到的VIN与VOUT之间的压差。显然,输出电流IOUT越大,在RDS产生的压降也越大。这就解释了为什么在数据表中,输出电流IOUT越大,VDO也越大。

当VIN(对应PMOS的S极)下降时,误差放大器的输出(对应PMOS的G极)也会降低以获得更低的VGS,来驱动PMOS的获得更低的RDS来保持输出电压的稳定。但误差放大器会在VIN持续下降时的某一点饱和,无法再使RDS更低。所以当VIN非常接近甚至低于VOUT(NOM)时,LDO会失去调节电压的能力。

而VIN越大,误差放大器越容易产生较大的VGS,因此可以调节RDS到更低的电阻。于是,同样的输出电流下,VIN越大,VDO就越小。

目前市面上大部分LDO的VIN最大值在VOUT(NOM)的两倍左右。超过VIN允许的最大电压会将LDO损坏。如果我们想通过9V/12V/15V的直流电源供应器获得3.3V直流电压时,有些设计人员会选择DC-DC降压变换器。DC-DC降压变换器的优点在于转换效率高,发热低,但是它的电路成本较高,在电路板上所占据的面积也较大。所以,在电流需求不太大的情况下,我们可以使用宽压LDO,如荃发电子代理的维安WR0338。它的输入电压范围在2.5~18V之间,足以搭配常见的9V/12V/15V直流电源供应器来获得3.3V的稳定输出。

还有另一种NMOS构成的LDO,也是类似的原理。但由于NMOS型LDO在VIN降低时难以获得较高的VGS,因此无法在VIN接近VOUT(NOM)时将RDS调节得更低。处于这个原因,普通NMOS型LDO无法实现较低的压差VDO。针对此问题,有些NMOS型的LDO会增加一个偏置电压VBIAS或者电荷泵到误差放大器上,以获得更高的VGS,进而获得更低的RDS和更低的VDO。

LDO的发热

从本质上来说,LDO是将较高的电压经过一个电阻转换成较低的电压。耗散在电阻上的能量将以热量的方式发散出去。所以,在设计LDO电路时,必须根据电路实际工作情况考虑LDO的发热问题,温度过高会损坏LDO以及电路板上的其他元件。

表征LDO发热的参数是热电阻系数thermal resistance (RθJA)。不同封装的LDO的热电阻系数往往会差别很大。同样以维安WR0338为例,SOT23-3封装的热电阻系数是230°C/W,而SOT89-3封装的热电阻系数就降到了175°C/W。

以WR0338为例,考虑一个小电流使用场景:输入电压是15V的直流电源供应器,电路所需要的电流是25mA。在此使用条件下,耗散在LDO上的功率可以由以下公式计算出:

PD = (VIN − VOUT ) × IOUT

因此PD=(15V – 3.3V ) × 0.025A = 0.2925W,这个值小于SOT23-3封装所允许的最大功率耗散430mW,也小于SOT89-3封装所允许的最大功率耗散340mW,所以电路可以在此状态下工作。显然我们注意到,如果工作电流再大一些,比如达到30mA,功率耗散就达到了351mW,超出了SOT89-3封装所允许的范围,但仍可以使用SOT23-3封装。

在已知PD的情况下,温升可以用下列公式算出:

ΔT = RθJA × PD

于是,上述使用条件下,SOT23-3封装的温升是0.2925W × 230 °C/W = 67.275°C,SOT89-3封装的温升是0.2925W × 175 °C/W = 51.1875°C。在实际使用中,应当保持LDO处于良好的通风环境,或者添加散热片heat sink。目前市面上的LDO产品大多都有热保护功能,如WR0338热保护功能在150°C摄氏度的时候会启动,LDO停止输出电流,直至元件冷却。

LDO的静态电流

静态电流(quiescent current, Iq)描述了LDO接入电源时自身的耗电情况。越来越多的电子产品开始使用电池供电,因此静态电流的大小会直接影响产品的待机时间。静态电流越低,设备就可以待机越长时间。以WR0338为例,它开机时(EN脚为高电平)的Iq典型值为3uA,而关闭电流(EN脚为低电平)更小于1uA。如果使用一块600mAh的锂电池(4.2V满电电压)供电的话,在待机情况下不考虑其他负载的耗电仅计算LDO的耗电,我们粗略可以算出设备可以待机600mAh/3uA=200kh=8333 days = 22.8 years,足足可以待机22.8年之久!当然,电池本身的自放电和其他IC的静态电流都会影响到最终设备可以待机的时间。但LDO的静态电流仍旧是对我们设计电路待机时行为的一个重要观察指标。

值得注意的是,很多LDO在欠压工作状态时(VIN小于VOUT(NOM)+VDO),它们的静态电流会暴增。如下图所示某厂家LDO的静态工作电流随输入电压变化的曲线。我们可以发现,在VIN大于3.3V、LDO可以稳压情况下,Iq只有20-30uA。但当VIN降低至3.3V以下,Iq突然暴增到200uA以上。这种现象容易彻底耗尽电池电源,对电池寿命和产品特性都有不好的影响。

针对Iq暴增的现象,通常有三种解决方案:一是选择全输入电压范围都能维持低静态电流的LDO(但通常较贵);二是在电池电压降低到LDO输出电压之前就提早将产品待机(产品使用时间将有所缩短);三是使用LDO的EN脚将LDO在VIN降低至VOUT(NOM)后关闭(电路更复杂)。

电源抑制比

除了价格低廉以外,LDO另一个非常吸引人的优点是它非常好的电源抑制比(Power-Supply Rejection Ratio, PSRR)。

PSRR表达式如下:

从表达式我们可以看出,PSRR表征的是LDO输出端抑制输入端扰动的能力(ripple)。PSRR越高的LDO,越能抵御输入端电压的不稳定。需要注意的是,仅仅查看数据表上PSRR的数值是不足以帮助我们分析输出端是否稳定的。原因很简单,因为PSRR跟扰动的频率密切相关:

同样以WR0338为例,在数据表中,我们看到从10Hz到1kHz,WR0338都有着优异的PSRR性能:70dB!但是当ripple频率到10kHz以上时,PSRR数值急剧下降。这意味着,如果输入段VIN的ripple频率在10kHz以上时(比如VIN来自一个500kHz的直流-直流升压降压变换器DC-DC buck boost),LDO的VOUT很可能会出现与VIN频率一致的ripple,如下图所示。

德州仪器应用手册中,他们给出了针对不同频率下,我们可以提高PSRR的几种方法,摘录如下表:

Credit to TI.com

LDO的噪声

LDO虽然一大优点是输出稳定噪声低,但它并非理想元件,因此也是有噪声的。常见的有两种方式降低LDO的噪声:降噪电容法(Noise-reduction capacitor)和前馈电容法(Feed-forward capacitor)。

降噪电容法是将LDO的误差放大器的正端经降噪电容(通常10nF到1uF)接地。降噪电容在这里有两个作用:1.用于过滤来自内部电压基准的噪声;2、在LDO启动或使能(Enable)期间减缓压摆率slew rate。

前馈电容法是将前馈电容(通常10nF到100nF)接在输出端与电阻分压器的反馈端。添加前馈电容可以提高噪声、稳定性、负载响应以及PSRR。但我们只有在使用输出可调式LDO才能使用前馈电容法(因为固定输出式LDO的电阻分压在元件内部,无法放置前馈电容)。

LDO的输入输出电容

从类型来说,价格相对低廉的普通陶瓷电容基本就足以胜任。具体的电容值可以参考每款LDO的规格书。要注意的是普通陶瓷电容的容值会随电容两端电压上升而下降(DC bias),因此要尽量选择额定电压较高的电容。

感兴趣的同学可以发邮件至fortune@ftelectronic.com或者在荃发电子有限公司的微信公众号后台留言申请本文中提到的维安WR0338免费样品。

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