LDO(Low Dropout Regulator) 低壓差穩壓器在電源設計中用途十分廣泛。相比于DCDC穩壓器,LDO具有噪聲小,芯片尺寸小,外圍器件少且設計簡單等優點;也存在輸入輸出電壓壓差大時導緻效率低且發熱量大,隻能降壓使用等缺點。本篇文章重點介紹LDO相關術語以及一些基本概念。
内部框圖(Block)
誤差放大器的引腳(FB)電壓與基準電壓 (VREF) 相同,因此輸出電壓值(VO)由兩個電阻(R1和R2)的阻值比決定。
Vo=[(R1 R2) / R2] x VREF
下圖的輸出晶體管為MOSFET,不過也有使用雙極晶體管産品。
Dropout Voltage(壓差)
壓差 是指輸入電壓進一步下降而造成LDO不能再調節時的輸入至輸出電壓差。在壓差區域内,調整元件作用類似于電阻,阻值等于漏極至源極導通電阻,壓差可以和負載電流表示:
負載電流越小,壓差也會按照比例下降。低壓差可最大程度的提高效率。
Quiescent and Ground Current (靜态電流與接地電流)
靜态電流(I Q ) 是指當外部負載電流為零時為LDO内部電流供電消耗的電流。它包括基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流過溫檢測等電路的工作電流。靜态電流由拓撲結構、輸入電壓和溫度确定。
一般來說,靜态電流不随輸入電壓的變化而變化,幾乎恒定不變。
接地電流(I Gnd ) 是指輸入電流與輸出電流之差,并且必然包括靜态電流。接地電流可最大程度的提高效率。
一般來說,接地電流會随着負載電流變化而變化如下圖所示:
對于高性能的CMOS LDO,接地電流通常遠小于負載電流的1%。接地電流會随負載電流的增加而增加,因為PMOS調整元件的栅極電流增加來補償因RON 引起的壓降。
Shutdown Current (關斷電流)
關斷電流是指輸出禁用時LDO消耗的輸入電流。在關斷模式下,參考電路和誤差放大器不工作。關斷電流會随溫度的升高而增加。
Efficiency (效率)
LDO的效率公式如下:
想提高LDO效率,需要最大程度的縮小輸入與輸出之間的電壓差,也要最大程度的降低接地電流。
DC Load Regulation (直流負載調整率)
負載調整率是衡量負載變化時仍保持輸出電壓的能力。負載調整率定義如下:
如下是某LDO輸出電壓與負載電流之間的關系:
DC Line Regulation (直流輸入電壓調整率)
輸入電壓調整率是衡量LDO在輸入電壓變化時仍保持輸出電壓的能力。電壓調整率定義如下:
如下是不同負載條件下某LDO輸出電壓與輸入電壓之間的關系圖。輸入電壓調整率随負載電流增加而變差。
Load Transient Response (負載瞬态響應)
負載瞬态響應是指負載電流階躍變化時的輸出電壓的變化。它與輸出電容值、電容等效電阻(ESR)、LDO環路增益帶寬以及負載電流變化的大小和速率有關。
如果負載變化速率非常緩慢,LDO控制環路會跟蹤到該變化做出補償響應。但是如果負載瞬态響應很快環路來不及補償,可能會出現異常行為比如低相位裕量導緻振鈴。下圖所示1.5mA 到1.5A負載瞬态響應曲線。
Line Transient Response (輸入電壓瞬态響應)
輸入電壓瞬态響應是指輸入電壓階躍變化時輸出電壓的變化。它與LDO控制環路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和速率有關。同樣, 跟在負載瞬态下一樣, 輸入電壓的變化速率也對輸入瞬态響應有較大的影響。 當輸入電壓緩慢變化(在 LDO 的帶寬内隻出現一個凹陷)時,可隐藏振鈴或其他異常行為。
Power supply rejection ratio(電源抑制比)
PSRR是用來量化LDO對不同頻率的輸入電源紋波的抑制能力的,它反映了LDO不受噪聲和電壓波動、保持輸出電壓穩定的能力。
PSRR與頻率有關,一般而言PSRR越大,LDO性能越好。
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