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認識線性穩壓器及其主要性能參數

2016年03月09日  | Sitthipong Angkititrakul、Dhananjay Singh/Intersil

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低壓差穩壓器(LDO)廣泛見於許多產業的各類電子應用;一般認為,LDO是調節和控制由較高輸入電壓電源提供的輸出電壓的一種簡單而便宜的方法。但是,成本和簡易性並非其得到廣泛使用的唯一原因。


事實上,如今的系統隨著每種新設計的出現而變得越來越複雜、對雜訊的反應更加敏感並且更加耗電;各種功率水準的開關電源之廣泛使用,意味著設計工程師必須花更多時間考慮如何避免雜訊耦合和干擾,同時還要提高系統效率,所以成本和簡易性不是唯一的推動因素。


對大多數應用而言,產品資料表上的基本參數規格明白易懂;遺憾的是,產品資料表並不會列出針對每種可能的電路條件之參數。因此若要發揮LDO的最大優勢,就必須理解主要性能參數及其對既定負載的影響。設計工程師需要透過嚴密分析週遭電路條件,來確定LDO是否適合特定負載。


本文分析了LDO的主要性能參數,以及它們對於為電子系統中各種元件提供乾淨輸出電壓的影響;另外還將討論工程師在進行系統最佳化時─特別是當電流水準較高時─必須考量的因素。


LDO在各種應用中扮演的角色

在大多數應用中,LDO主要用於將靈敏的負載與有雜訊的電源相隔離;與切換式穩壓器(switching regulators)不同,線性穩壓器會在傳輸電晶體(pass transistor)或用以調節、維持輸出電壓以達到所需精度的MOSFET中造成功率耗散。因此,就效率而言,LDO的功率耗散會是一個顯著劣勢,並可能導致熱問題;所以設計工程師需要盡可能降低LDO功率耗散,來提升系統效率和避免熱複雜性,這一點很重要。


LDO是用於電壓調節的最老牌、最常用元件,然而它的許多主要性能參數並未得到人們的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。儘管成本是一項非常重要的因素,但推動LDO使用的主要因素是系統的功率要求和受電負載可接受的雜訊水準。LDO還可用於降低雜訊,以及修復由電磁干擾(EMI)和印刷電路板(PCB)佈線造成的問題。


對於電流消耗非常低的負載,LDO的功率耗散非常小,所以由於其簡單、成本低和易用性而成為必然之選。但是,對於電流消耗大於500mA的負載,其他因素變得更重要,有時甚至很關鍵。在這類應用中,系統工程師應當對那些在較高電流水準條件下重要性會提升的性能參數多加考慮,如壓差電壓、負載調節和暫態性能。


LDO是線性穩壓器的一種,所以人們常常拿它與傳統線性穩壓器相比,特別是在成本方面。很重要的一點是,要理解導通元件(pass element)是LDO的核心,且該核心元件及其週遭電路對LDO的性能具有決定性影響。


LDO裡有什麼?

LDO包含三個基本功能元件:一個參考電壓、一個導通元件和一個誤差放大器(error amplifier),如圖1所示;正常運作期間,導通元件充當電壓控制器電流源。導通元件由來自誤差放大器的補償控制訊號驅動,誤差訊號放大器可感測輸出電壓並將其與參考電壓進行比較;所有這些功能區塊都會影響LDO的性能。LDO供應商的產品資料表一定會包括象徵這些功能元件性能的規格。


圖1 LDO功能區塊圖。
圖1 LDO功能區塊圖。

圖2顯示LDO穩壓器設計中通常有四種不同的導通元件:基於NPN型電晶體的穩壓器、基於PNP型電晶體的穩壓器、N通道基於MOSFET的穩壓器,和P通道基於MOSFET的穩壓器。


圖2 LDO穩壓器中使用的四種不同的電晶體。
圖2 LDO穩壓器中使用的四種不同的電晶體。

通常,基於電晶體的穩壓器比基於MOSFET的穩壓器具有更高的壓差;另外,基於電晶體的穩壓器電晶體導通元件的基極驅動電流與輸出電流成比例,這會直接影響基於電晶體的穩壓器的靜態電流。相較之下,MOSFET導通元件使用隔離閘極驅動的電壓,使其靜態電流顯著低於以電晶體為基礎的穩壓器。


主要LDO性能參數

壓差

壓差是指當進一步減小輸入電壓會造成輸出電壓失穩的輸入電壓與輸出電壓之差別;在壓差條件中,導通元件在線性區工作,相當於一個電阻。對於現在的LDO,導通元件通常採用PMOS或NMOSFET來實現,這可實現低至30m~500mV的壓差。圖 3顯示了使用PMOS FET作為導通元件的ISL80510 LDO的壓差。


圖 3 I SL80510壓差。
圖 3 I SL80510壓差。

負載調節率

負載調節率是指在既定負載變化下的輸出電壓變化,這裡的負載變化通常是從無負載到滿負載,對應的負載調節率如方程式1所示:


方程式1
方程式1

負載調節率顯示了導通元件的性能和穩壓器的閉迴路DC增益;當閉迴路DC增益越高,負載調節率越好。


線性調節率

線性調節率是指在既定輸入電壓變化下的輸出電壓變化,如以方程式2所示:


方程式2
方程式2

由於線性調節率還取決於導通元件的性能和閉迴路DC增益,在考慮線性調節率時常常不包括壓差操作,因此線性調節率的最小輸入電壓必須高於壓差。


電源抑制比(PSRR)

PSRR表示LDO抑制由輸入電壓造成的輸出電壓波動的能力,如方程式3所示;線性調節率只有在直流電時才需要考慮,但PSRR必須在寬頻率範圍上考慮。


方程式3
方程式3

考慮傳統的閉迴路系統,小訊號輸出電壓Vout可由方程式4表示:


方程式4
方程式4

其中Vin是小訊號輸入電壓,Gvg是從輸入到輸出電壓的開迴路轉移函數(transfer function),k v是輸出電壓感測增益,GC是補償器的轉移函數,Goc是從控制訊號到輸出電壓的開迴路轉移函數,kv×GC×Goc是閉迴路轉移函數T(s)。


從方程式3和4可以看出,顯然PSRR由閉迴路增益T(s)和從輸入到輸出電壓的開迴路轉移函數的倒數1/ Gvg組成,如圖4所示。閉迴路轉移函數在較低頻率下佔據主導地位,從輸入到輸出電壓的開迴路轉移函數在較高頻率下佔主導地位。


圖4 PSRR vs.頻率。
圖4 PSRR vs.頻率。

雜訊

此參數通常是指LDO本身在輸出電壓上產生的雜訊,是能隙電壓參考的固有特性。方程式4顯示了參考電壓與輸出電壓的關係。遺憾的是,閉迴路轉移函數對於抑制從參考電壓到輸出電壓的雜訊效果不大。因此,大多數低雜訊LDO都需要一個額外的濾波器來防止雜訊進入閉迴路。


暫態響應

LDO普遍用於負載點調節比較重要的應用中,例如為數位IC、DSP、FPGA和低功率CPU供電。此類應用中的負載有多種工作模式,需要不同的供電電流。因此,LDO必須快速回應,以使供電電壓保持在要求的限制範圍之內。這使LDO的暫態行為成為關鍵性能參數之一。


如同在所有閉迴路系統中一樣,暫態響應主要取決於閉迴路轉移函數的頻寬;要想實現最佳暫態響應,閉迴路頻寬必須盡可能高,同時還要確保有足夠相位餘裕(phase margin),以保持穩定性。


圖5 ISL80510暫態響應(2.2V<sub>in</sub>, 1.8V<sub>out</sub>)。
圖5 ISL80510暫態響應(2.2Vin, 1.8Vout)。

靜態電流

LDO的靜態電流(或接地電流)是導通元件的偏置電流偏流與驅動電流的結合,通常保持盡可能低的水準。另外,當PMOS或NMOSFET被用做導通元件時,靜態電流相對來說不太受負載電流的影響。因為靜態電流不會流向輸出,所以它會影響LDO的效率,如方程式5所示:


方程式5
方程式5

LDO內部的功率耗散定義為 Vin×(Iq+Iout)-Vout×Iout。要想最佳化LDO的效率,必須將靜態電流以及輸入電壓與輸出電壓之差別降到最低。輸入電壓與輸出電壓之差別對效率和功率耗散有直接影響,所以一般選擇最低壓差。


儘管LDO不能像開關模式電源(SMPS)那樣提供較高的效率轉換,但它對於很多現在的電路來說依然是必不可少的穩壓器。在對雜訊敏感的應用中,使SMPS實現必要的輸出漣波來滿足嚴格的雜訊規格要求非常具有挑戰性。因此,對SMPS的輸出添加一個LDO作為主動式濾波器的情況並非罕見。該LDO在SMPS開關頻率下必須具備較高的PSRR。


LDO特別適用於那些需要將輸出電壓調節到略低於輸入電壓的應用,雖然降壓和升壓轉換器對最大/最小佔空比有限制,但若其輸入電壓接近輸出電壓,則會導致輸出電壓失穩。


結語

儘管概念和實現都比較簡單,但得到廣泛使用的LDO在系統電源設計中肩負著至關重要的功能。進行設計最佳化時需要考慮許多因素,特別是在較高電流的應用中。





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