理解线性稳压器及其主要性能参数
引言
低压差稳压器(通常称为 LDO)广泛用于许多行业的各类电子应用。一般认为,LDO 是调节和控制由较高输入电压电源提供的输出电压的一种简单而便宜的方法。但是,成本和简单性并非其得到广泛使用的唯一原因。事实上,如今的系统随着每种新设计的出现而变得越来越复杂、对噪声的反应更加敏感并且更加耗电。各种功率水*的开关电源的广泛使用,意味着设计工程师必须花更多时间考虑如何避免噪声耦合和干扰,同时还要提高系统效率,所以成本和简单性不是唯一的推动因素。
对大多数应用而言,产品数据表的基本参数的规格明白易懂。遗憾的是,产品数据表并不会列出针对每种可能的电路条件的参数。因此,若要发挥 LDO 的最大优势,就必须理解主要性能参数及其对既定负载的影响。设计工程师需要通过严密分析周围电路条件,来确定 LDO 是否适合特定负载。
本文分析了 LDO 的主要性能参数,以及它们对于向电子系统中的各种器件提供干净的输出电压的影响,另外还将讨论设计工程师在优化系统时(特别是在电流水*较高时)必须考虑的因素。
如何在应用中使用 LDO
在大多数应用中,LDO 主要用于将灵敏的负载与有噪声的电源相隔离。与开关稳压器不同,线性稳压器会在通路晶体管或MOSFET(用来调节和保持输出电压来达到所需的精度)中造成功率耗散。因此,就效率而言,LDO 的功率耗散会是一个显著劣势,并可能导致热问题。所以, 设计工程师需要通过尽可能降低 LDO 功率耗散,来提升系统效率和避免热复杂性,这一点很重要。
LDO 是用于电压调节的最老和最常用器件;然而,其许多主要性能参数并未得到人们的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。尽管成本是一项非常重要的因素,但推动 LDO 使用的主要因素是系统的功率要求和受电负载可接受的噪声水*。LDO 还可用于降噪,以及修复由电磁干扰(EMI)和印刷电路板(PCB)布线造成的问题。
对于电流消耗非常低的负载,LDO 的功率耗散非常小,所以由于其简单、成本低和易用性而成为必然之选。但是,对于电流消耗大于 500mA 的负载,其他因素变得更重要,有时甚至很关键。在这类应用中,系统工程师应当对那些在较高电流水*条件下重要性会提升的性能参数多加考虑,如压差、负载调节和瞬态性能。
LDO 是线性稳压器的一种,所以人们常常拿它与传统线性稳压器相比,特别是在成本方面。很重要的一点是要理解通路元件是 LDO 的核心,且该核心及其周围电路对 LDO 的性能具有决定性影响。
LDO 内部
LDO 包含三个基本功能元件:一个参考电压、一个通路元件和一个误差信号放大器,如图 1 所示。正常工作期间,通路元件充当电压控制器电流源。通路元件由来自误差信号放大器的补偿控制信号驱动,误差信号放大器可感测输出电压并将其与参考电压进行比较。所有这些功能块都会影响 LDO 的性能。LDO 生产商的产品数据表始终包括相应规格,用以说明这些功能元件的性能。
晶体管的稳压器、N 通道基于 MOSFET 的稳压器和 P 通道基于 MOSFET 的稳压器。
主要 LDO 性能参数
1) 压差
压差是指在进一步减小输入电压会造成输出电压失稳时的输入电压与输出电压之差。在压差条件中,通路元件在线性区工作,相当于一个电阻。对于现在的 LDO,通路元件通常采用 PMOS 或 NMOS FET 来实现,这可实现低至 30mV 到 500mV 的压差。图 3 显示了使用 PMOS FET 作为通路元件的 ISL80510 LDO 的压差。
负载调整率是指在给定负载变化下的输出电压变化,这里的负载变化通常是从无负载到满负载, 对应的负载调整率如方程式 1 所示:
3) 线性调整率
线性调整率是指在给定输入电压变化下的输出电压变化,如方程式 2 所示:
4) 电源抑制比(PSRR)
PSRR 表示 LDO 抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力,如方程式 3 所示。线性调整率只有在直流电时才需要考虑,但 PSRR 必须在宽频率范围上考虑。方程式 3:
