線性穩(wěn)壓器的五個設(shè)計實說
查找線性穩(wěn)壓器時，面對無限多的產(chǎn)品型號，利用參數(shù)搜索工具可以把選擇范圍縮小到少數(shù)幾個，看起來非常簡單。需要什么樣的輸出電壓？負載電流是多少？承受的輸入電壓范圍如何？穩(wěn)壓器需要工作在什么壓差下？ 輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？接下來是細節(jié)處理。如果負載對電源波動非常敏感怎么辦？可能要求極低的輸出噪聲和很高的 PSRR。如果設(shè)計采用電池供電，則對靜態(tài)電流的要求也會非常嚴格。
現(xiàn)在，您已經(jīng)將范圍縮小到那些能夠滿足具體應用的器件。但這并沒結(jié)束。在 終決定之前，以下 5 個因素還需要考慮。
穩(wěn)壓器如何啟動？
接近 壓差時，靜態(tài)電流是否依然保持在非常低？
對于實際負載，而非數(shù)據(jù)手冊測試數(shù)據(jù)，器件的負載瞬態(tài)響應如何？
LDO 輸出紋波是否主要取決于 PSRR，或者主要由 LDO 輸出噪聲決定？
器件關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)如何？
為什么這些問題如此重要？實際應用中，線性穩(wěn)壓器的有些表現(xiàn)可能使您感到很陌生，需要花費額外的時間診斷電路板的故障，甚至需要重新設(shè)計。
本應用筆記對 LDO 的上述要點進行了闡述。希望有助于您的線性穩(wěn)壓器選型和設(shè)計。
1. 啟動
大多數(shù)穩(wěn)壓器都配備了使能輸入，用于控制穩(wěn)壓器的上電或關(guān)斷，以節(jié)省功耗。帶有使能輸入的穩(wěn)壓器通常也帶軟啟動功能。軟啟動可防止穩(wěn)壓器打開時造成輸入電源過載。軟啟動通常采用以下兩種方式之一。
電流軟啟動
種方法是電流軟啟動。大多數(shù)穩(wěn)壓器具有電流限值；電流軟啟動是緩升或步進到該電流限值。由于輸出電容充電量遠遠小于 負載電流，軟啟動使得輸出電壓緩慢上升。電流軟啟動的優(yōu)點是穩(wěn)壓器輸入電流穩(wěn)定上升，不會將負載啟動的瞬態(tài)電流傳遞到輸入。
使能負載時，大家可能會注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個點。這是因為負載電路打開并嘗試在穩(wěn)壓器處于限流的條件下啟動工作。如果負載電流超過軟啟動電流，負載本身將進入欠壓狀態(tài)，造成復位。隨著負載電流的打開和關(guān)閉，這種循環(huán)會不斷持續(xù)。 軟啟動電流達到足夠高的水平，能夠支持負載供電，釋放復位，負載電路正常喚醒。
電壓軟啟動
第二種軟啟動是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當下游電路開啟時不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能防止負載多次進入復位狀態(tài)，因為輸出電壓僅穿越負載欠壓門限 。
電壓軟啟動期間的浪涌電流取決于輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負載吸收的電流。典型情況下，按照浪涌電流大約為 額定輸出電流的 1%至 10% (使用推薦的 輸出電容)來設(shè)置輸出電壓斜率。將浪涌電流設(shè)置為小于 負載電流的 10%，為負載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點是輸入電流與負載變化有關(guān)，不能直接控制；優(yōu)點是能夠避免系統(tǒng)多次復位。
2. 靜態(tài)電流與壓差
如果系統(tǒng)由電池供電，穩(wěn)壓器的電源電流非常重要。負載電路可短暫工作，然后長時間處于待機狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負載的靜態(tài)電流。如果是這種情況，則要考慮選擇低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。
假設(shè)隨著電池電量的消耗，使得輸入與輸出之間的壓差達到很小的狀態(tài)。此時的線性穩(wěn)壓器，即使負載電流非常小，也會強制 FET 導通， 地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在 壓差時的潛在問題是，驅(qū)動穩(wěn)壓器輸出 FET 的柵極驅(qū)動電路將消耗較大電流(圖 2)。使得“待機模式”變?yōu)椤半姵乜焖俜烹娔Ｊ健薄?
即使很好的 IC 設(shè)計，靜態(tài)電流在 壓差條件下增大的現(xiàn)象也并不罕見。小壓差下的電源電流提高 2 倍很常見，有些設(shè)計甚至增大 10 倍或更多。有些器件在 EC 表或靜態(tài)電流與輸入電壓關(guān)系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對應關(guān)系。但更多情況下，數(shù)據(jù)手冊給出的是叫高壓差下的電源電流。
對于具體應用，如果低壓差條件下的靜態(tài)電流非常重要，應選擇提供該信息的 LDO，或者進行實際測量，確定性能滿足要求。
3. 負載瞬態(tài)響應
負載快速變化期間，多數(shù)穩(wěn)壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。負載變化時，輸出 FET 柵極驅(qū)動需要隨之變化。而柵極驅(qū)動達到新水平所需的時間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過沖。
滿載時的快速瞬變會造成 差情況下的瞬態(tài)下沖。選擇穩(wěn)壓器之前，須務必檢查瞬態(tài)響應。與從 1%滿載作為初始條件相比，從 10%滿載開始通常會給出更好的結(jié)果；因為 10%負載預偏置與 1%負載預偏置相比，輸出 FET 柵極電壓更接近其 終值。負載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得較好的負載瞬態(tài)響應比較困難。
保證穩(wěn)壓器輸出負載 在一定程度上可以規(guī)避大的負載瞬變，但這不是有效的解決方案。當穩(wěn)壓器從滿載躍變到輕載時，往往會發(fā)生輸出過沖。而穩(wěn)壓器從過沖狀態(tài)恢復的過程中，器件處于比較敏感狀態(tài) —— 此時的輸出 FET 完全沒有偏置。這種狀態(tài)下，如果出現(xiàn)另 負載階躍，輸出則出現(xiàn)下沖，比 次更為嚴重。
如果存在任何快速開啟、關(guān)斷負載的情況， 在類似條件下檢查每個穩(wěn)壓器的負載瞬態(tài)響應。(圖 3)所示為雙脈沖負載瞬變期間的性能。
4. 噪聲與電源抑制比(PSRR)
顯而易見，大多數(shù)設(shè)計用于低噪聲輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的 PSRR。無論何種原因，負載對電源紋波都非常敏感。
使用開關(guān)穩(wěn)壓器時，PSRR 比輸出噪聲問題更嚴重。比如，一個線性穩(wěn)壓器的前端使用了降壓型調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓作為輸入，而其輸出端的負載又對噪聲非常敏感。如果降壓型調(diào)節(jié)器的紋波為 50mVP-P @ 100kHz，線性穩(wěn)壓器在 100kHz 下的 PSRR 為 60dB，則輸出紋波為 50uVP-P，等效輸出噪聲大約 15uVRMS。而同一線性穩(wěn)壓器在 10Hz 至 100kHz 帶寬范圍內(nèi)的總輸出噪聲可能小于 5uVRMS，由于 PSRR 和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產(chǎn)生的噪聲達到穩(wěn)壓器本身噪聲的 3 倍，如(圖 4)所示。
對于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲可能成為 PSRR 的決定因素。這是因為分壓后的反饋輸入噪聲增大了。假如一個線性穩(wěn)壓器將噪聲較高的升壓轉(zhuǎn)換器的 17V 輸出轉(zhuǎn)換為噪聲較小的 16V 電源，紋波小于 100uV。開關(guān)頻率處的 PSRR 為 60dB，50mVP-P 升壓轉(zhuǎn)換器紋波將衰減到 50uVP-P，或者輸出噪聲 15uVRMS。如果采用 5uVRMS 低噪聲基準和反饋運放輸入，我們來看一下反饋輸入產(chǎn)生的問題。如果反饋輸入調(diào)整在 1.25V，電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出設(shè)置為 16V，那么輸出噪聲將增大到 5uVRMS x (16V/1.25V)，即 64uVRMS，這可能成為主要的噪聲源。(圖 5)顯示了高壓輸出造成的輸出噪聲性能下降。
在查找線性穩(wěn)壓器時，如果為噪聲敏感的負載供電，通常既需要考慮輸出噪聲，也需要考慮 PSRR。
5. 輸入保護
線性穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管大多包含體二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出 0.7V 以上。大多數(shù)情況下，該二極管不是問題，但在兩種情況下會引起麻煩。
反向電壓保護
有些情況下，輸入電壓可能接反，導致極性反轉(zhuǎn)，比如放置 9V 電池的兩個金屬觸點。盡管連接器能夠防止電池 性反接，但在用戶更換電池時會有幾秒或更長時間的反向電壓。
反向電壓保護允許輸入引腳電壓低于地電位，不會吸收顯著電流。為達到這一目的，需要通過串聯(lián)開關(guān)將輸出 FET 的體二極管斷開。大多數(shù)穩(wěn)壓器都包括二極管，防止任何引腳電壓低于地電位，防止引腳發(fā)生靜電放電，即 ESD。為實現(xiàn)反向電壓保護，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護器件，參見(圖 6)。
MAX1725 是一款具有反向電壓保護的器件，允許輸入比地電位低 12V，不會吸收大的電流。
反向電流保護
線性穩(wěn)壓器的反向電流保護很容易與反向電壓保護混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出 FET 體二極管的反向電流傳導，但控制方法完全不同。(圖 7)所示為反向電流保護工作原理。
對于較高容性負載的情況，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩(wěn)壓器供電。同時假設(shè)該線性穩(wěn)壓器由大電流降壓轉(zhuǎn)換器供電，關(guān)斷狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器將其輸出短路至地。我們會毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，在 次關(guān)斷事件期間，由于負載電容網(wǎng)絡(luò)同時通過線性穩(wěn)壓器的體二極管進行放電，線性穩(wěn)壓器可能被損壞。
具有反向電流保護的線性穩(wěn)壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時，斷開體二極管，可以避免這一問題。如果輸出電壓之前在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，輸出 FET 將導通，在觸發(fā)保護電路之前，會有少量反向電流流通。注意，反向電流保護僅僅消除從輸出到輸入的電流，但在輸入引腳電壓低于地電位時并未阻斷電流，就像反向電壓保護那樣。MAX8902 是一款具有反向電流保護的器件，在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。
總結(jié)
我們以上討論了線性穩(wěn)壓器的一些特殊情況，這些問題可能在數(shù)據(jù)手冊或參數(shù)搜索中發(fā)現(xiàn)不了。有時候不太容易確定每款線性穩(wěn)壓器會出現(xiàn)哪種狀況，但了解潛在問題就為您查找正確的器件提供了很大優(yōu)勢。
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