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DC/DC變換器已廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)電子系統(tǒng)中，如移動(dòng)通信終端、便攜式電腦、PDA等。低電壓、低壓差(Low Dropout)線性穩(wěn)壓器LDO在功能上屬于DC/DC變換器中的降壓變壓器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等突出優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

  LDO概述

  LDO(Low Dropout)線性穩(wěn)壓器，比傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器有更高的電源轉(zhuǎn)換效率，而比開關(guān)式穩(wěn)壓器有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、更低的成本和更低的噪聲特性，因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來越受歡迎。LDO線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器成為當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品中最常用的兩類電源管理電路。

  LDO有Bipolar(雙極性)和CMOS(單極性)兩種。一般而言，雙極性芯片可以工作在較高的工作電壓下，并且有較高的跨導(dǎo)，容易設(shè)計(jì)。而CMOS的最佳特性是它的輸入端僅需要極小的偏流。

LDO的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路等。

  LDO原理

  根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。此外，還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。在這里我們只討論LDO線性穩(wěn)壓電源，下面以線性穩(wěn)壓器ICW2231為例來進(jìn)行分析：

  首先，ICW2231系列產(chǎn)品是合肥艾創(chuàng)微電子科技有限公司以CMOS工藝制造的18V耐壓、低功耗、高PSRR，高精度低壓差線性穩(wěn)壓器。內(nèi)置固定電壓基準(zhǔn)，溫度保護(hù)，限流電路，相位補(bǔ)償電路以及低內(nèi)阻的MOSFET，達(dá)到高紋波抑制，高精度低壓差的性能。

  ICW2231系列兼容體積比鉭電容更小的陶瓷電容，而且不需使用0.1uF的By-pass電容，更能節(jié)省空間。

  ICW2231系列的高速響應(yīng)特性能應(yīng)付負(fù)載電流的波動(dòng)，所以特別適合使用于手持及射頻產(chǎn)品上。

圖 1

  圖1為ICW2231的功能示意圖，其基本電路由串聯(lián)調(diào)整管、取樣電阻、比較放大器組成。

其基本工作原理：上電時(shí)，使能腳處于高電平，電路啟動(dòng)，恒流源電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：Vout=(R1+R2)/R2 *Vref。

  LDO相關(guān)參數(shù)

  (1)輸出電壓(Output Voltage)

  輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用穩(wěn)壓器時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù)。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經(jīng)過廠家精密調(diào)整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設(shè)定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求，但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。

  (2)最大輸出電流(Maximum Output Current)

  用電設(shè)備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。

  (3)輸入輸出電壓差(Dropout Voltage)

  輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

  (4)接地電流(Ground PIN Current)

  接地電路IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調(diào)整管元件時(shí)，這種習(xí)慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。

  (5)負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation)

  負(fù)載調(diào)整率可以通過圖2中的紅線與藍(lán)線之間的壓差來定義，壓差越小，LDO的負(fù)載調(diào)整率就越小，說明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。

圖 2

  (6)線性調(diào)整率(Line Regulation)

  線性調(diào)整率可以通過圖3中的紅線與藍(lán)線之間的壓差來定義，壓差越小，LDO的線性調(diào)整率越小，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓影響就越小，說明LDO的性能越好。

圖 3

  LDO應(yīng)用時(shí)的PCB設(shè)計(jì)

  PCB板設(shè)計(jì)要點(diǎn)：要得到一個(gè)穩(wěn)定和低噪音的穩(wěn)壓電路或系統(tǒng)，要小心安排PCB板的布局結(jié)構(gòu)，所有的器件必須靠近LDO，可以把PCB板按功能分成幾塊，如圖4所示。

圖 4

  (1)保持通路在輸入電壓Vin、輸出電壓Vout之間，輸入電容Cin、輸出電容Cout接地要短，以降低噪音和干擾;

  (2)采樣電阻R1、R2和反饋電容CFB必須保持靠近芯片的FB反饋腳，以防噪音;

  (3)大面積地直接連接芯片的GND地腳和輸入電容Cin、輸出電容Cout的負(fù)端。

  LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)在設(shè)計(jì)時(shí)所需要注意的事項(xiàng)：

  (1)LDO最大輸出電流

  按照2/3原則選擇，即電路總消耗電流的3/2倍，若電路總消耗電流50 mA，那么LDO的最大輸出電流為75mA。

  (2)封裝散熱以及功耗

  功耗=(輸入電壓-輸出電壓)*工作電流，按照1/2原則選擇LDO封裝，達(dá)不到的在PCB上應(yīng)增加散熱面，功耗大的可以安裝散熱片。

  (3)注意壓降

  壓降=輸入電壓輸出電壓之間的壓差，壓降符合LDO規(guī)格才能穩(wěn)定輸出，不然輸出達(dá)不要求，如壓降2V的LDO，想要輸出電壓5V，輸入電壓就要7V。

  (4)靜態(tài)電流

  靜態(tài)電流指的是LDO工作本身需要消耗的電流。特別是用電池供電的產(chǎn)品，需要選用較低靜態(tài)電流的LDO以提升產(chǎn)品的待機(jī)時(shí)間。

  (5) 濾波電容

  參考LDO規(guī)格書要求，選用合適的電容，選用容量過小的電容，輸出的電壓可能會(huì)不穩(wěn)或者紋波比較大。如果輸入的電源紋波本身就比較大，輸入和輸出端建議選用更大容量的電容;電容的耐壓值也需要注意，一般使用2倍原則來選用。假如輸入端電壓為24V，那么最好選擇50V耐壓的電容，如果耐壓值實(shí)在達(dá)不到2倍也不能少于1.5倍。否則設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是不可靠的。