LDO电源设计原理和应用

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Introduction of LDO



为解决压差过大（功耗过大）而不适合用在低电压转换的 问题，出现了LDO（Low Dropout Linear Regulator ）. 低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺 点。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例 如，如果一个LDO输入电源是3.6V，在电流为200mA时 输出1.8V电压，那么转换效仅为50%。虽然就较大的输 入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差 较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V， 效率就变成了80%。 在LDO中，产生压差的主要原因是在调整元件中有一个P 沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等效为一个电 阻，Rds(on), Vdropout = Vin - Vout = Rds(on) x Iout (式A)

8. 基准电压（Reference Voltage） 基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接 决定了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要 因素。
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Flows in Application





1、确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。 2、确定电路的输出电压、负载电流和输入电压（注意输 入电压和负载电流都需要降额80％考虑） 3、确定电路的最大、最小输入－输出电压差；电路的最 大、最小输入－输出电压差应该满足器件要求； 4、单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求； 5、确定电路的电性能指标要求（如静态电流、精度、纹 波、效率等）；器件的指标应该满足电路指标的要求，并 且考虑温度对各种性能指标的影响； 6、确定器件的输出电容以及ESR值，如果器件对输出电 容以及ESR有特殊要求，考虑公司现有器件是否满足要求； 7、其他要求（如电路是否需要使能控制端、价格因素 等）。
Introduction and Layout Principle of Linear Power Supply
Bob Jiang
Nov. 2009
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Introduction of Linear Power Supply

线性电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电 源。一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取 样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可 能包括一些例如保护电路，启动电路等部分.
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Keypoint in Application-Power Consumption




低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函 数。下列方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗： PD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:P= 最恶劣情况下的 实际功耗，VINMAX = VIN 脚上的最大电压，VOUTMIN = 稳压器 输出的最小电压，ILMAX = 最大( 负载) 输出电流。PD 最大允许 功耗(PDMAX) 是最大环境温度(TAMAX), 最大允许结温(TJMAX) (+125°C) 和结点到空气间热阻（θJA) 的函数。对于安装在典型双 层FR4 电解铜镀层PCB板上的5引脚SOT-23A封装器件，其（θJA)约为 250°C/Watt。 PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ θJA VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125°C，TAMAX = +55°C 实际功耗PD=26.7mW，最大允许功耗: PDMAX= 280mW. 在低压差线性稳压器（LDO）的使用过程中一定要注意合理分配LDO 实际功耗，不要超过他的最大功耗。以影响系统的稳定性。
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Introduction of LDO


LDO的结构主要包括启动电路、恒流源偏臵单元、使能电路、调整 元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络，保护电路等。 基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路 开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏臵，基准源电压快速建立， 输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到 的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电 压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出， 从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电 压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即： Vout=（R1+R2）/R2 * ref V
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Fundamental Principle of Linear Power Supply


调整原理如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负 载电流减小而升高时，串接晶体管（设为NPN型）基极电 压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从而保 持采样电压等于参考电压。这种负反馈控制在输出电压下 降时也同样起作用。此时误差放大器输出会使串接晶体管 基极电压上升，集电极电阻减小，直流输出电压升高，使 采样电压等于参考电压。实质上，输入电压的任何变化都 会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压保持不变， 其恒定程度与反馈放大器的开环增益相关。晶体管始终工 作在线性状态，电路损耗为各元件直流损耗。 串接NPN型晶体管的线性调整器，若基极驱动由Vin经Rb 提供，则Vin与Vout之间必须存在最小压差以保证向内的 基极驱动电流。
(式B)
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Main Parameters of LDO


1．输出电压(Output Voltage) 输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子 设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性 稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输 出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂 家精密调整的，所以稳压器精度很高。但是其设定的输出 电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求， 但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。 2．最大输出电流(Maximum Output Current) 用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不 相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低 成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所 需的电流值选择适当的稳压器。
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Keypoint in Application -Capacitors





1、 输入电容 输入电容的主要作用是对调整器的输入进行滤波，另外输入电容也可 以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡； 所以调整器输入端一般采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤 波作用，一般取22uF左右；较小电容提供消除振荡作用，取值一般 为1uF，实际应用中一般选用0.1uF，位臵尽量靠近调整器的输入Pin 输入电容除了考虑容值外，纹波电流额定值也必须考虑，输入电容的 纹波电流应小于器件手册给出的额定值，电路的纹波电流可以用下面 的公式简单计算： Iripple＝PI×Vp×f×C 其中： Iripple：输入电容的纹波电流 Vp：纹波电压的峰－峰值 C：输入电容值 f：为纹波电压的频率，一般取100KHz 再考虑以上因素的时候还应该注意温度对电容特性的影响，如钽电容 其电容值以及纹波电流额定值都随着温度的升高而降低。 另外电容都需80％的降额，钽电容需要50－60％的降额。
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Main Parameters of LDO

5．负载调整率(Load Regulation) 负载调整率可以通过下图和式C 来定义，LDO 的负载调 整率越小，说明LDO 抑制负载干扰的能力越强。
(式A) 式中 △Vload—负载调整率 Imax—LDO 最大输出电流 Vt—输出电流为Imax 时，LDO 的输出电压 Vo—输出电流为0.1mA 时，LDO 的输出电压 △V—负载电流分别为0.1mA 和Imax 时的输出电压之差
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Introduction of Linear Power Supply


线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳 压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度 快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热 量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。 线性电源的主要缺点是串接晶体管存在过大功耗，所有的 负载电流都必须通过串接晶体管，其功耗为（Vin – Vo) Io。大多数情况下，串接NPN型晶体管的最小压差（Vin – Vo) 为2.5V。在效率计算可近似为Vo/Vin*100%的情况下 (忽略 LDO 静态电流 )，电路效率太低！
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Keypoint in Application -Capacitors




2、 输出电容 电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及ESR对 电路频率响应的影响是最主要的。由于隧道深度的存在，输出电容以 及ESR选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。因此电容的选择建 议参考器件手册的隧道深度图。 在选择电容的时候还需要考虑温度对容值以及ESR的影响，应该保证 在整个温度范围内电路都是稳定的。（主要是铝电容的ESR受温度影 响比较大，所以建议在温度变化较大的应用场合下最好不要选择铝电 容作为输出电容） 在使用可调LDO调整器时，有时候我们为达到较好的输出纹波抑制 性能，调整器需要对地增加滤波电容，但是必须注意的是：电路的输 出增加了这个电容，又会增加一个闭环极点（f＝1/2×pi×（R1//R2） ×C C为补偿电容），电路的输出电容必须相应的增加，才能保证电 路的稳定。 另外一个容易忽视的问题：LDO带有多个负载的时候，每个负载电 路的输入电容都是调整器的输出电容。
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Main Parameters of LDO

6．线性调整率(Line Regulation) 线性调整率可以通过下图和式D 来定义，LDO 的线性调 整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO 的 性能越好。
式D 式中 △Vline—LDO 线性调整率 Vo—LDO 名义输出电压 Vmax—LDO 最大输入电压 △V—LDO 输入Vo 到Vmax‘ 输出电压最大值和最小值之差
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Application of LDO

LDO的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输 入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见下图。 Vin和Vout的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、 低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零到 满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO有一 个Bypass附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步 降低噪音（参考 7．电源抑制比）。
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Keypoint in Application -Capacitors

电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电 容值、电介质材料类型、物理尺寸、等效串联电阻(ESR) 等这些重要参数都是设计工程师所要考虑的。在LDO使 用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电 容器无极性和具有低的ESR，电容器的ESR对输出纹波有 重大影响，而ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和 外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R 电介质是最好 的，但使用成本略高，X5R 电介质较好，性能/价格比适 宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。
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Main Parameters of LDO


3．输入输出电压差(Dropout Voltage) 输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在 保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压 器的性能就越好。比如，5.0V 的低压差线性稳压器，只 要输入5.5V 电压，就能使输出电压稳定在5.0V。 4．接地电流(Ground Pin Current) 接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时，输入电 源提供的稳压器工作电流。在轻载电流时，系统效率是Iq 对系统性能产生的影响之一。基本来说，具有低Iq 的 LDO 只在轻载时效率较高。这是因为负载电流增加时， Iq 只占Iin 总电流的很小一部分。具有较高Iq 的LDO 可以大大提高系统的线路和负载阶跃响应性能。由于Iq 被LDO 用来实现稳压工作，Iq 较高的LDO 对负载需求 或线路电压的突变可作出更快的响应。
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Main Parameters of LDO

7．电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio. PSRR) LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR 反映了 LDO 对于这些干扰信号的抑制能力。
PSRR=20 log（△vin/△vout）
LDO输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。导致 LDO 输出噪声的主要来源是基准。为降低基准噪声，用于连接基准 旁路电容。增大旁路电容能够使基准噪声成为产生LDO 输出噪声的 次要因素，有利于减小输出噪声。建议使用陶瓷电容的典型值为470 pF 到 0.01 μF 。也可使用此范围以外的电容，但会对输入电源上电 时LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压 上升速率越慢。