线性调压器与LDO_IT分享知识网

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1.线性调压器与LDO的拓扑结构

线性电压调节器（Linear regulator），又称线性稳压器、线性调节器，是一种元件，作用是保持电压稳定。因工作时输入与输出的关系呈线性变化，故被称为”线性稳压器”。

LDO：Low Drop Out，一般线性调压器的Drop-out voltage电压在0.5V以下，可称之为LDO。

1.1 NPN型线性稳压器

特点：

高性能

非常低的工作电流

对输出电容几乎没有要求，即几乎不需要外部补偿

缺点：较高的drop-out电压（ $V_{do}=2V_{BE}+V_{CE_{sat}}$ ），1.5V~2.5V

1.2 PNP型LDO

特点：

高性能

较低的drop-out电压( $V_{do}=V_{CE_{sat}}$ )，小于1V

缺点：

较高的静态电流

工作电流随着负载增加而增加

1.3 NPN型 Quasi-LDO

特点：

对输入输出电容容量要求较低

drop-out电压比传统NPN线性稳压器低（ $V_{do}=V_{BE}+V_{CE_{sat}}$ ）

具有比PNP-LDO线性稳压器更好的负载调整率

1.4 CMOS-LDO

特点：

非常低的drop-out电压

drop-out电压只与FET的 $R_{DS_{ON}}$ 相关（ $V_{do}=R_{DS_{ON}}*I_{load}$ ）

非常低的静态电流与工作电流

工作电流与负载无关

2. 线性调压器与LDO的参数

2.1 DC参数

精度：Accuracy，实际输出电压值与理论计算输出电压值之间多接近的范围。

效率：Efficiency，LDO的效率与工作条件相关。

输入功率： $P_{in}=V_{in}\left ( I_{load}+I_{q} \right )$

输出功率： $P_{out}=V_{out}* I_{load}$

效率： $Efficiency=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{V_{out}*I_{load}}{V_{in}\left (I_{load}+I_{q} \right )}$

当 $I_{load}\gg I_{q}$ 时， $Efficiency=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{V_{out}*I_{load}}{V_{out}\left (I_{load}+I_{q} \right )}\approx \frac{V_{out}}{V_{in}}$

Drop-out电压：指为了维持输出电压满足一定精度要求所需的最低输入电压与输出电压的差值。

Drop-out电压只有在输入电压逐渐接近输出电压的时候才会体现出来，如下图，当 $V_{in}< V_{out}+V_{do}$ （欠压点）时，LDO不能再有效调节输出电压。

静态电流：Quiescent current，指稳压器在无负载情况所需要维持自身正常运作的电流，包含内部控制电路工作电流以及双极型晶体管所需要的偏置电流。

热特性：Thermal，工作温度范围内，根据不同的封装，存在不同的输出功率降额。

2.2 AC参数

PSRR：Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比。为表征线性稳压器对于输入电压纹波噪声的抑制能力。PSRR受受多因素影响，如频率、电压、负载、外部器件、PCB布局等。

$PSRR_{dB}=20*\log\left ( \frac{V_{ac_{in}}}{V_{ac_{out}}} \right )$

LDO噪声表达方式：

1）规定带宽内的总积分噪声，用uVrms表示。

2）噪声谱密度曲线，噪声与频率的关系，用 $\frac{uV}{\sqrt{HZ}}$ 表示。

$V_{noise}=\sqrt{BW}*\sqrt{\left ( N_{FL}^{2} *N_{FU}^{2} \right )}$

，FU为需要评估的上限频率，FL为需要评估的下限频率；

$N_{FU}$ 为需要评估的上限频率噪声，用 $\frac{uV}{\sqrt{HZ}}$ 表示；

$N_{FL}$ 为需要评估的下限频率噪声，用 $\frac{uV}{\sqrt{HZ}}$ 表示；

LDO噪声主要来源于band gap参考电压源和误差放大器，通过设计一个low-pass滤波器可以有效减小输出噪声。

3.LDO的设计选择

1）基于输入电压与输出电压范围以及负载范围来确定合适Vdo的LDO方案；

2）基于系统对性能的具体要求选择：

$\bullet$ 根据噪声的要求，选择PSRR、噪声等相关指标；

$\bullet$ 根据待机功耗要求，选择合适静态电流、工作电流等指标；

$\bullet$ 根据有输出电容类型的要求，选择合适的拓扑结构；

3）根据散热要求，选择LDO封装；

温升计算方法：

$D_{T}=P_{D}*q_{JA}$ ( $D_{T}$ 为最大容许的温升（125℃ $-T_{A}$ ）)

$P_{D}=V_{IN}*I_{q}+\left (V_{IN}-V_{OUT} \right )*I_{load}$ ( $I_{q}$ 为稳压器的地脚电流)

4）Drop-out电压影响与计算

当LDO进入Drop-out影响区域时，PSRR会减小到几乎为0、动态性能会很差、线性调整率会超规格（因为任何输入变化将会直接影响输出）、静态电流增加、输出效率会提升。

典型值： $R_{DS_{ON}}=\frac{V_{do}}{I_{OUT}}$

实际应用时 $V_{do}$ ： $V_{do}=I_{out}*R_{ds}$

4.输出电容影响

1）高ESR

高ESR导致零点移动到较低频率；

这会导致环路带宽提升，使得远处的 $P_{PWR}$ 极点对0dB处的相位具有更大的影响从而导致环路的不稳定性。

2）低ESR

低ESR使得零点移往高频处；

移往高频处的零点无法在0dB以上有效抵消功率极点与内部补偿极点的影响，从而导致环路的不稳定。

3）LDO的频率响应：

调节输出电容的ESR值，从而引入一个零点用于抵消系统的极点（在穿越频率附近，抵消一个-90°的相位偏移），从而使得系统进入稳态（即环路稳定性）。

1）NPN线性稳压器补偿：

NPN线性稳压器具有较低的输出阻抗，其功率级本身会产生一个高频极点。因此，针对这种特性，一般采用主极点补偿法，即通过IC内部放置电容产生一个低频段的主极点。

为满足稳定性判据条件，需要使系统在0dB频率点（穿越频率）具有充足的相位裕量。在下图中，P1极点提供了-90°的相位偏移，P2极点由于位于高频段，对0dB频率点相位的影响很小（图中产生了-18°的偏移）。因此，整体而言，相位裕量为72°，系统是非常稳定的。

2）PNP型LDO补偿：

PNP型LDO通常具有更高的输出阻抗，因此将会包含一个固有的低频极点 $P_{L}$ （该极点主要由负载阻抗和输出电容决定）、一个功率极点 $P_{PWR}$ （由PNP功率晶体管及其驱动产生）和一个极点P1（由内部放大器输出等效寄生参数产生）。

显然，左图所示未加补偿网络的系统是不稳定的。在穿越频率处，系统相位达到了-180°。需要通过补偿，在环路中增加一个零点，使系统稳定。

采用ESR补偿：输出电容中的ESR将会为环路系统引入一个零点。该零点将减少相位的负向偏移。该零点频率的计算公式为： $F_{Zero}=\frac{1}{2\pi C_{OUT}R_{ESR}}$

右图中，由于ESR零点的引入，穿越频率由30KHz变为了100KHz，同时在100KHz处，该零点提供了81°的正向相位偏移。考虑道所有零极点的效果叠加，此时，系统相位裕量为70°，系统处于稳定状态。

4）稳定条件的ESR范围

通常，LDO生产厂商将提供满足稳定条件的ESR范围，并绘制成图，方便工程师进行查阅。

5.LDO热设计的考量

5.1LDO损耗

损耗计算公式：

$P_{in}=V_{in}\left ( I_{load}+I_{q} \right )$

$P_{out}=V_{out}*I_{load}$

若 $I_{load}\gg I_{q}$ ，则 $P_{loss}=P_{in}-P_{out}\approx \left (V_{in}-V_{out} \right )*I_{load}$

5.2LDO封装的热阻数据

LDO热阻有两种表达方式：

1）热阻Theta（θ）

$\theta _{JA}$ ：结到周围环境的热阻，单位℃/W

$\theta _{JC}$ ：结到管壳（封装外表面的一个特定点）的热阻

$\theta _{CA}$ ：从管壳到周围环境的热阻

$\theta _{JB}$ ：结到电路板的热阻

2）热特性参数Psi（ $\psi$ ）

$\psi _{JB}$ ：结到电路板的热特性参数

$\psi _{JT}$ ：结温和封装顶部温度之间的温度变化的特征参数

5.3LDO的最大推荐工作结温

LDO热计算：

结温： $T_{J}=T_{A}+\left ( \theta _{JA}*P \right )$

$T_{J}$ 为结温， $T_{A}$ 为环境温度，P为功耗。

或，结温： $T_{J}=T_{B}+\left ( \psi _{JB}*P \right )$ ( $T_{B}$ 为封装处的电路板温度)

或，结温： $T_{J}=T_{T}+\left ( \psi _{JT}*P \right )$ ( $T_{T}$ 为封装顶部中心处的温度)

最大功耗： $P_{max}=\frac{T_{J_{max}}-T_{A}}{\theta _{JA}}$

6.LDO性能测试

6.1 LDO环路测试

测试方法：

1）变压器

2）高精度信号注入器

3）闭环测试

通过动态负载，看ring的波峰波谷数，查看datasheet确认相位裕量。TI的产品可以使用的SLVA381Bhttps://www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/slva381查找数据。

6.2 PSRR测试

PSRR测试可以将LDO看作一个滤波器，在LDO输入端加入交流噪声，测试LDO输出端的交流噪声大小。

$PSRR_{dB}=20*\log\left ( \frac{\Delta V_{ac_{in}}}{\Delta V_{ac_{out}}} \right )$

PSRR测试需要选择合适的注入纹波：

$\bullet$ 不能让LDO进入 $V_{do}$ 模式，否则会使得LDO工作在失控模式；

$\bullet$ 注入纹波不能太小，否则测量精度会变低，一般建议在200mV~300mV

$\bullet$ 输入电容会衰减高频纹波，需要尽可能的减少输入电容

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