在半導(dǎo)體制造中，技術(shù)發(fā)展催生了片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)，只要將模擬、數(shù)字和射頻等子系統(tǒng)集成到特定的硅芯片中，這意味著不同的系統(tǒng)模塊使用不同的電源。

與此同時，電源管理系統(tǒng)使用了不同的電源電路，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。在本文中，小編主要介紹低壓差穩(wěn)壓器主要特點和電路原理等相關(guān)知識。

什么是低壓差穩(wěn)壓器?

低壓差穩(wěn)壓器英文簡稱LDO，它是一種具有成本效益且簡單的穩(wěn)壓器，主要功能是從高輸入電壓中獲得穩(wěn)定的o/p電壓。

低壓差穩(wěn)壓器的主要特點是，只要提供穩(wěn)定的o/p電壓，它就能在其兩端產(chǎn)生極低的電壓降。因此，這允許穩(wěn)壓器在電池輸入電壓接近必要的穩(wěn)壓o/p電壓的情況下用于功率關(guān)鍵電池的應(yīng)用。

低壓差穩(wěn)壓器使用可變輸入來提供穩(wěn)定、持續(xù)受控、低噪聲的 DC o/p電壓，也就是說，低壓差穩(wěn)壓器是一個線性穩(wěn)壓器，在輸入和輸出之間包含一個小的壓降，即使在o/p電壓非常接近 i/p電壓時也能正常工作，不像線性穩(wěn)壓器需要巨大的壓降在輸入和輸出之間正常運行。與線性型等其他電壓調(diào)節(jié)器相比，該電壓調(diào)節(jié)器沒有開關(guān)噪聲且器件尺寸更小。

低壓差穩(wěn)壓器原理上與一般線性穩(wěn)壓器基本相同，區(qū)別在于低壓差穩(wěn)壓器輸出端的功率由NPN晶體管共集極架構(gòu)改為PNP集電極開路架構(gòu)，這樣只要利用對地的電壓差就能讓晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，因此輸入端只需高出輸出端多于功率晶體管的飽和電壓，穩(wěn)壓器就能穩(wěn)定輸出電壓。

低壓差穩(wěn)壓器理論基礎(chǔ)

低壓差穩(wěn)壓器可以在輸入和輸出之間的低電位變化下工作。有時，它也被稱為低損耗型或飽和型線性穩(wěn)壓器。一般穩(wěn)壓器能穩(wěn)定工作的最低電壓低于1V。

1、壓差電壓

在線性穩(wěn)壓器中，晶體管位于VIN和VO之間，獲得恒定晶體管操作所需的最小電位差異稱為壓降電壓。一旦輸入和輸出之間的電壓差異下降到壓差電壓以下，則晶體管無法保持恒定工作并且o p電壓降低。

通過這種方式，無論是線性穩(wěn)壓器還是低壓差穩(wěn)壓器，都可以設(shè)置所需的最小輸入電壓以確保該過程正常運行。在這種情況下，VO+壓差(Dropout Voltage)是最小工作電壓。一旦i/p電壓低于最低工作電壓，則o/p電壓將不是恒定的。

2、LDO結(jié)構(gòu)

下圖顯示了LDO的基本框圖。LDO的主要組件是參考電壓、差分放大器(誤差放大器)和傳輸元件(場效應(yīng)晶體管)。

差分放大器的正輸入檢查通過R1和R2等電阻器部分測量的輸出的劃分，而放大器負引腳上的i/p可以來自穩(wěn)定的參考電壓。

低壓差穩(wěn)壓器工作原理

LDO穩(wěn)壓器的工作原理類似于普通的直流線性穩(wěn)壓器，但它包括三個基本組件，如傳輸元件、參考電壓源和誤差放大器。通常，通路元件是P溝道和N溝道FET，也稱為PNP或NPN。在LDO電路中，輸入電壓被提供給一個傳輸元件，如N溝道FET。

該FET的操作可以在線性區(qū)域中完成，以將輸入電壓降低到必要的輸出電壓以下。

誤差放大器或差分放大器通過將輸出電壓與參考電壓進行比較來檢測輸出電壓。所以這種放大器將FET的柵極端向合適的工作端修改，以確保o/p處于準確的電壓。一旦輸入電壓發(fā)生變化，差分放大器就會改變場效應(yīng)晶體管以保持穩(wěn)定的輸出電壓。在穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境中，這種穩(wěn)壓器就像一個簡單的電阻器一樣工作。

當然，一些低壓差穩(wěn)壓器存在固定和可變o/p電壓版本，以根據(jù)需要調(diào)節(jié)o/p電壓。這些穩(wěn)壓器還包括一個啟用引腳，用于操作穩(wěn)壓器，以便幫助設(shè)計人員控制穩(wěn)壓器，從而在不使用電池時防止電池使用。

低壓差穩(wěn)壓器主要組成部分

低壓差穩(wěn)壓器的主要包括以下幾個組成部分。

1、參考電壓;在任何穩(wěn)壓器中，電壓基準都是初始點，因為它位于差分放大器的工作端。通常，可以使用帶隙類電壓基準，因為它允許在低壓電源下工作。

2、差分放大器/誤差放大器;誤差放大器設(shè)計的主要要求是它應(yīng)該消耗盡可能小的電流。放大器的輸出電阻必須盡可能低，因為傳輸晶體管的柵極電容會很大。通過分壓器網(wǎng)絡(luò)平衡下來的o/p電壓是誤差放大器的一個輸入，而另一個輸入可以是參考電壓。因此，經(jīng)過對比，該放大器可以調(diào)節(jié)傳輸元件的電阻。

3、反饋;電阻電壓的分壓器反饋對于縮小o/p電壓是可靠的，它允許使用差分放大器通過參考電壓對其進行評估。

4、通過元素;在低壓差穩(wěn)壓器中，傳輸元件負責將電流從輸入傳輸?shù)截撦d，并通過反饋環(huán)路內(nèi)的差分放大器驅(qū)動。通常，MOSFET用作傳輸元件。

5、輸出電容;在LDO中，這是一個必不可少的組件，因為它確保在整個負載瞬態(tài)期間電流可以立即流向負載，直到差分放大器準備就緒。電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 非常重要，因為它會阻止電流從電容器流向負載。所以對于等效串聯(lián)電阻范圍為10mΩ – 300mΩ的電容器 (1μF)，可行的電容器類型是陶瓷電容器、聚合物電解電容器和低ESR鉭電容器。

低壓差穩(wěn)壓器主要參數(shù)

1、靜態(tài)電流;靜止狀態(tài)可以定義為不活動的狀態(tài)。因此，一旦激活，則該電流可以在待機模式下在整個系統(tǒng)中汲取，否則不連接負載。靜態(tài)和關(guān)機等電流都是不同的術(shù)語。靜態(tài)電流是指在沒有連接燈或未連接負載時整個系統(tǒng)汲取的電流，而關(guān)斷電流是在設(shè)備停用后汲取的電流，但是，電源/電池仍然與設(shè)備相連。

2、PSRR(電源抑制比)電源抑制比 (PSRR) 可以定義為LDO拒絕AC元素(如紋波電壓)的能力。PSRR可以通過以下公式表示：

PSRR (dB) = 20 log (Vripple(in)/Vripple(out))

3、負載調(diào)節(jié);這種調(diào)節(jié)可以定義為電路在負載條件變化的情況下保持特定輸出電壓的能力。所以，這個負載調(diào)節(jié)可以表示為：

負載調(diào)整率 = ΔVout/ ΔIout

4、線路調(diào)節(jié);線路調(diào)節(jié)可以定義為電路通過改變輸入電壓來保持特定輸出電壓的能力，可以表達如下：

負載調(diào)節(jié) = ΔVout / ΔVin、

5、瞬態(tài)響應(yīng);瞬態(tài)響應(yīng)可以定義為負載電流階躍變化的最高允許o/p電壓差，也可以稱為線階躍響應(yīng)。這是輸出電容值 (Cout) 函數(shù)、o/p 電容的 ESR(等效串聯(lián)電阻)、Cb(旁路電容)和 (Iout, max) 最高負載電流，最高瞬態(tài)電壓差可以表示如下：

ΔVtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) Δt1 + ΔVESR

低壓差穩(wěn)壓器主要特點

欠壓鎖定

電流限制

TSD(熱關(guān)斷)

輸出放電

低壓差穩(wěn)壓器優(yōu)缺點

低壓差穩(wěn)壓器是一種直流線性穩(wěn)壓器，即使電源電壓非常接近o/p電壓，這種穩(wěn)壓器也可用于調(diào)節(jié)o/p電壓。

與DC-DC穩(wěn)壓器相比，這種穩(wěn)壓器具有不存在開關(guān)噪聲、器件尺寸小、設(shè)計更簡單等諸多優(yōu)點。

低壓穩(wěn)壓器的缺點是，與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，線性直流穩(wěn)壓器應(yīng)通過調(diào)節(jié)裝置分解電源以控制輸出電壓。

低壓差穩(wěn)壓器主要應(yīng)用

蜂窩電話

高效線性電源

掌上電腦、筆記本電腦和筆記本電腦

DC/DC模塊和SMPS后置穩(wěn)壓器

電池供電設(shè)備

個人電子產(chǎn)品或消費電子產(chǎn)品

VPP調(diào)節(jié)或開關(guān) & PCMCIA VCC

低噪聲和高PSRR等LDO用于無線和有線通信。

低功率和小尺寸類型用于便攜式設(shè)備。

用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的耐高壓。

大功率 LDO 用于數(shù)字內(nèi)核電源。

總結(jié)

在電源管理系統(tǒng)中，低壓差穩(wěn)壓器是最重要的電子元器件，尤其是通過電池運行的設(shè)備。這些穩(wěn)壓器可以通過穩(wěn)定的輸出提供多個電壓電平。

另外，低壓差穩(wěn)壓器的輸出電壓與負載阻抗、溫度和輸入電壓的變化無關(guān)，這是一種線性穩(wěn)壓器，可在輸入和輸出之間的極低電位差下運行。