4.線性穩(wěn)壓器的關(guān)鍵技術(shù)

所有的電壓穩(wěn)壓器都使用反饋回路以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋信號(hào)在通過(guò)回路后都會(huì)在增益和相位上有所改變。一般通過(guò)在單位增益（0dB）頻率下的相位偏移總量可以確定回路的穩(wěn)定性。對(duì)于任何高增益反饋環(huán)路來(lái)說(shuō)，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置都決定其穩(wěn)定性。

為了了解穩(wěn)定性需要使用波特圖（Bode Plots）（圖4.1），它將回路的增益（dB）表示為頻率的函數(shù)。波特圖是很方便的工具因?yàn)樗袛嚅]環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的所有必要信息。為了從波特圖中獲得必要的信息需要先了解幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：環(huán)路增益（loop gain），相位裕度（phase margin）和零點(diǎn)（Zeros）、極點(diǎn)（poles）。

圖4.1 波特圖

4.1.環(huán)路增益（Loop Gain）

每個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)都有個(gè)特性叫做環(huán)路增益。在穩(wěn)壓器的分析中，環(huán)路增益定義為反饋信號(hào)通過(guò)整個(gè)回路后的電壓增益。為了更好的解釋這個(gè)概念，將圖3.5LDO的框圖修改為如下圖所示：

圖4.2 環(huán)路增益示例圖

變壓器用來(lái)將AC信號(hào)發(fā)射到‘A’、‘B’點(diǎn)間的反饋回路。利用這個(gè)變壓器，小信號(hào)正弦波來(lái)調(diào)制反饋信號(hào)。測(cè)量A、B點(diǎn)間交流電壓并用來(lái)計(jì)算環(huán)路增益。 環(huán)路增益定義為兩點(diǎn)電壓的比：

Loop Gain ＝ Va/Vb

特別需要注意的是，從Vb點(diǎn)開(kāi)始傳輸?shù)男盘?hào)通過(guò)回路時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位偏移，最終到達(dá)Va點(diǎn)。相位偏移的多少?zèng)Q定了回路的穩(wěn)定性。

所有的穩(wěn)壓器都用到了反饋以使輸出電壓穩(wěn)定。輸出電壓是通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行采樣的（如圖4.2），并且該分壓信號(hào)反饋到誤差放大器的一個(gè)輸入端。

因?yàn)檎`差放大器的另一個(gè)輸出端連接到一參考電壓源上，誤差放大器將會(huì)調(diào)整輸出到調(diào)整管的輸出電流以保持DC電壓的穩(wěn)定輸出。 必須要注意，為了達(dá)到穩(wěn)定的回路就必須使用負(fù)反饋（negative feedback）。負(fù)反饋（有時(shí)稱為degenerative feedback）就與源信號(hào)的極性相反（如圖4.3）。

圖 4.3

由于與源的極性相反，負(fù)反饋總會(huì)阻止任何的輸出變化。也就是說(shuō)，如果輸出電壓想要變高（或變低），回路總會(huì)阻止其到正常值。 正反饋（Positive Feedback） 當(dāng)反饋信號(hào)與源信號(hào)有相同的極性時(shí)就會(huì)發(fā)生正反饋。此時(shí)，回路響應(yīng)會(huì)與發(fā)生變化的方向一致。這樣明顯不能達(dá)到穩(wěn)定，因?yàn)椴荒芟敵鲭妷旱母淖儯炊鴮⒆兓厔?shì)擴(kuò)大了。很明顯不會(huì)有人在線性穩(wěn)壓器件中使用正反饋，但是如果出現(xiàn)180°的相移，負(fù)反饋就成為正反饋了。

4.2.相位裕度

講相位裕度之前需要先解釋相位偏移。相位偏移就是反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)回路后出現(xiàn)的相位轉(zhuǎn)變的總和（相對(duì)起始點(diǎn)）。相移（用度表示）通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（network analyzer）測(cè)量。

圖 4.4 相移圖

理想的負(fù)反饋信號(hào)與源信號(hào)相位差180°（如圖4.4），因此它的起始點(diǎn)在-180°。在圖3.3中可以看到這180°的偏置。也就是波型差半個(gè)周期。可以看到，從-180°開(kāi)始，增加180°的相移，就會(huì)使信號(hào)相位回到零度。這也就使反饋信號(hào)與源信號(hào)相位相同了，并使回路不穩(wěn)定。

相位裕度（單位為度）定義為在環(huán)路增益等于0dB時(shí)，反饋信號(hào)總的相位偏移與－180°的差。一個(gè)穩(wěn)定的回路一般需要20°的相位裕度。相位偏移和相位裕度可以通過(guò)波特圖中的零、極點(diǎn)計(jì)算獲得。

4.3.極點(diǎn)

極點(diǎn)就是增益曲線中斜率為－20dB/十倍頻程的點(diǎn)。每添加一個(gè)極點(diǎn)，斜率增加20dB/十倍頻程。增加n個(gè)極點(diǎn)，n×（－20dB/十倍頻程），如圖4.5。

每個(gè)極點(diǎn)表示的相位偏移都是與頻率相關(guān)的，相移從0到－90°（增加極點(diǎn)就增加相移）。最重要的一點(diǎn)是幾乎所有由極點(diǎn)（或零點(diǎn)）引起的相移都是在十倍頻程范圍內(nèi)。注意：一個(gè)極點(diǎn)只能增加－90°的相移，所以最少需要兩個(gè)極點(diǎn)來(lái)到達(dá)－180°（不穩(wěn)定點(diǎn)）。

圖 4.5 極點(diǎn)增益/相位圖

4.4.零點(diǎn)

零點(diǎn)（如圖4.6）在增益曲線中斜度為＋20dB/十倍頻程的點(diǎn)。

圖4.6 零點(diǎn)增益/相位圖

零點(diǎn)產(chǎn)生的相移為0到＋90°，在曲線上有＋45°角的轉(zhuǎn)變。首先要知道的是零點(diǎn)就是“反極點(diǎn)”，它在增益和相位上的效果與極點(diǎn)恰恰相反。這也就是為什么要在LDO的回路中添加零點(diǎn)的原因：它可以抵消極點(diǎn)的效果，否則電路會(huì)不穩(wěn)定。

4.5.線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性分析

下面用一個(gè)包含三個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)的波特圖（如圖4.7）來(lái)分析增益和相位裕度。假設(shè)直流增益為80dB，第一個(gè)極點(diǎn)發(fā)生在100Hz處。在此頻率時(shí)，增益曲線的斜度變?yōu)椋?0dB/十倍頻程。 1kHz處的零點(diǎn)使斜度變?yōu)?dB/十倍頻程，到10kHz處增益曲線又變成－20dB/十倍頻程。在100kHz處的第三個(gè)也是最后一個(gè)極點(diǎn)將增益斜度最終變?yōu)椋?0dB/十倍頻程。

圖 4.7 帶有相位信息的波特圖

也可以從圖中看到單位增益點(diǎn)（0dB）交點(diǎn)頻率是1MHz。0dB頻率通常稱為回路帶寬（loop bandwidth）。 相位偏移圖表示了零、極點(diǎn)的不同分布對(duì)反饋信號(hào)的影響。為了產(chǎn)生這個(gè)圖，就要根據(jù)分布的零極點(diǎn)計(jì)算相移的總和。在任意頻率（f）上的極點(diǎn)相移，可以通過(guò)下式計(jì)算獲得：

極點(diǎn)相移＝ －arctan(f/fp)

在任意頻率（f）上的零點(diǎn)相移，可以通過(guò)下式計(jì)算獲得：

零點(diǎn)相移＝ －arctan(f/fz)

此回路穩(wěn)定么？為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們只需要知道0dB時(shí)的相移（是1MHz）。根本無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算。 前兩個(gè)極點(diǎn)和第一個(gè)零點(diǎn)分布使相位從－180°變到＋90°，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)相位轉(zhuǎn)變到－90°。最后一個(gè)極點(diǎn)在十倍頻程中出現(xiàn)了0dB點(diǎn)。使用零點(diǎn)相移公式，該極點(diǎn)產(chǎn)生了－84°的相移（在1MHz時(shí)）。加上原來(lái)的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是說(shuō)相位裕度是6°）。該回路可能引起振蕩。

在實(shí)際使用中，線性穩(wěn)壓器需要使用到補(bǔ)償措施。

4.5.1NPN穩(wěn)壓器的補(bǔ)償

NPN 穩(wěn)壓器的調(diào)整管（見(jiàn)圖3.5）的連接方式是共集電極的方式。所有共集電極電路的一個(gè)重要特性就是低輸出阻抗。也就意味著電源范圍內(nèi)的極點(diǎn)出現(xiàn)在環(huán)路增益曲線的高頻部分。由于NPN穩(wěn)壓器沒(méi)有固有的低頻極點(diǎn)，所以它使用了一種稱為主極點(diǎn)補(bǔ)償（dominant pole compensation）的技術(shù)。此時(shí)，在IC的內(nèi)部集成了一個(gè)電容，該電容在環(huán)路增益的低頻端添加了一個(gè)極點(diǎn)（如圖4.8）。

圖4.8 NPN穩(wěn)壓器的波特圖

NPN穩(wěn)壓器的主極點(diǎn)（P1）一般設(shè)置在100Hz處。100Hz處的極點(diǎn)將增益減小為－20dB/十倍頻程直到3MHz處的第二個(gè)極點(diǎn)（P2）。在P2處，增益曲線的斜率又增加了－20dB/十倍頻程。 P2點(diǎn)的頻率主要取決于NPN功率管及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，因此有時(shí)稱此點(diǎn)為功率極點(diǎn)（power pole）。

因?yàn)镻2點(diǎn)在環(huán)路增益為－10dB處出現(xiàn)，也就表示了0dB頻率處（1MHz）的相位偏移會(huì)很小。

為了確定穩(wěn)定性，只需要計(jì)算0dB頻率處的相位裕度： 第一個(gè)極點(diǎn)（P1）會(huì)產(chǎn)生－90°的相位偏移，但是第二個(gè)極點(diǎn)（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz處）。也就是說(shuō)0dB點(diǎn)處的相位偏移為－108°，相位裕度為72°（非常穩(wěn)定）。

應(yīng)該提起注意的是，回路很顯然是穩(wěn)定的。因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)極點(diǎn)才有可能使回路要達(dá)到－180°的相位偏移（不穩(wěn)定點(diǎn)），而P2又分布在高頻位置，它在0dB處的相位偏移就很小了。

4.5.2LDO的補(bǔ)償

基于PNP管的 LDO和基于PMOS管的 LDO的傳遞函數(shù)具有幾個(gè)影響穩(wěn)定性的極點(diǎn)：

主極點(diǎn)（圖4.9中的P0）由誤差放大器決定；它是由放大器的gm通過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償電容CCOMP一起控制和確定的。主極點(diǎn)對(duì)上述所有LDO結(jié)構(gòu)都是共同的。

第二極點(diǎn)（P1）由輸出電抗（指輸出電容和負(fù)載電容以及負(fù)載阻 抗）決定。這使得應(yīng)用問(wèn)題更難處理，因?yàn)檫@些電抗會(huì)影響環(huán)路的增益和帶寬。

第三極點(diǎn)（P2）由調(diào)整管附近的寄生電容決定。在相同條件下，PNP功率晶體管的單位增益頻率（fT）比NPN晶體管的fT低很多。

圖4.9 LDO的幅頻特性

如圖4.9所示，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生每10倍頻程20 dB的增益下降并且伴隨90°的相移。因?yàn)檫@里所討論的LDO有多個(gè)極點(diǎn)，所以如果單位增益頻率處的相移達(dá)到－180°，線性穩(wěn)壓器會(huì)變得不穩(wěn)定。圖4還示出了容性負(fù)載對(duì)穩(wěn)壓器的影響，其等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)在傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)（ZESR）。該零點(diǎn)有助于補(bǔ)償其中一個(gè)極點(diǎn)，并且如果該極點(diǎn)出現(xiàn)在單位增益頻率以下時(shí)有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點(diǎn)的相移低于－180°。

ESR對(duì)于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的，特別對(duì)于使用縱向PNP調(diào)整管的LDO。然而，由于電容器的寄生特性，所以ESR不總是好控制。電路可能需要ESR集中在某個(gè)窗口范圍內(nèi)以確保LDO工作在對(duì)于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域（見(jiàn)圖4.10）。雖然原則上選擇具有合適ESR的合適電容器（要求頻率響應(yīng)曲線在穿過(guò)0 dB之前下降得足夠快，并且在達(dá)到相關(guān)極點(diǎn)P2之前向低于0 dB增益方向減小得足夠滿）非常困難。實(shí)際考慮還會(huì)增加更多的困難：ESR隨著產(chǎn)品型號(hào)變化；大批量生產(chǎn)使用的最小電容值需要進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，包括最小環(huán)境溫度和最大負(fù)載的極端條件。

圖4.10穩(wěn)定性隨輸出電流IOUT和負(fù)載電容的ESR變化

4.5.2.1使用ESR補(bǔ)償LDO

等效串聯(lián)電阻（ESR）是每個(gè)電容共有的特性。可以將電容表示為電阻與電容的串聯(lián)（如圖4.11）。

圖4.11 電容器的等效ESR

輸出電容的ESR在環(huán)路增益中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，可以用來(lái)減少負(fù)相移。零點(diǎn)出現(xiàn)的頻率值與ESR和輸出電容值直接相關(guān)：

Fzero＝ 1/(2π×Cout×ESR)

使用上一節(jié)的例子（圖4.9顯示的波特圖），我們假設(shè)輸出電容值Cout＝10uF而且輸出電容的ESR＝1Ω。則零點(diǎn)發(fā)生在16kHz。

圖4.12顯示了添加此零點(diǎn)如何使不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)：

圖4.12 用ESR零點(diǎn)穩(wěn)定LDO

回路的帶寬增加了所以0dB的交點(diǎn)頻率從30kHz移到了100kHz。到100kHz處該零點(diǎn)總共增加了＋81°相移。也就是減少了PL和P1造成的負(fù)相移。 因?yàn)闃O點(diǎn)Ppwr處在500kHz，在100kHz處它僅增加了-11°的相移。累積所有的零、極點(diǎn)，0dB處的總相移現(xiàn)在為-110°。也就是有＋70°的相位裕度，系統(tǒng)非常穩(wěn)定。 這也就解釋了具有正確ESR值的輸出電容是可以產(chǎn)生零點(diǎn)來(lái)穩(wěn)定LDO系統(tǒng)的。

4.5.2.2ESR和LDO的穩(wěn)定性

通常所有的LDO都會(huì)要求其輸出電容的ESR在一定范圍之內(nèi)以保證穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。LDO制造商會(huì)提供一系列由輸出電容ESR和負(fù)載電流組成的定義穩(wěn)定范圍的曲線，如圖4.13所示，作為選擇電容時(shí)候的參考。

圖4.13 LDO的ESR 穩(wěn)定范圍曲線

要解釋為什么有這些范圍存在，可以由前面提到的例子來(lái)說(shuō)明ESR的高低對(duì)相位裕度的影響。

高ESR

同樣使用前文提到的例子，假設(shè)10uF輸出電容的ESR增加為20Ω。這將使零點(diǎn)的頻率降低到800Hz（如圖4.14）。降低零點(diǎn)的頻率就會(huì)使回路的帶寬增加，使它的0dB的交點(diǎn)頻率從100kHz變到2MHz。 帶寬的增加意味著極點(diǎn)Ppwr會(huì)出現(xiàn)在帶寬內(nèi)（對(duì)比圖3.12）。分析圖3.14曲線的相位裕度，可以發(fā)現(xiàn)如果同時(shí)拿掉該零點(diǎn)和P1或PL中的一個(gè)極點(diǎn)，對(duì)曲線的形狀影響很小。

圖4.14 高ESR引起回路振蕩的波特圖

也就是說(shuō)該回路由發(fā)生－90°相移的低頻極點(diǎn)和發(fā)生－76°相移的高頻極點(diǎn)Ppwr共同影響。 盡管還有14°的相位裕度（可能穩(wěn)定）。但很多測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)ESR＞10Ω時(shí)由于其它的高頻極點(diǎn)的分布（在此簡(jiǎn)單模型中未表示）很可能會(huì)引入不穩(wěn)定性。

低ESR

具有很低的ESR的輸出電容由于一些不同的原因也會(huì)產(chǎn)生振蕩。繼續(xù)用前面的例子，把10uF輸出電容的ESR降低到50mΩ，則零點(diǎn)的頻率會(huì)變到320kHz（如圖4.15）。

圖4.15 低ESR引起的回路不穩(wěn)定

不用計(jì)算也能知道系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。兩個(gè)極點(diǎn)P1和PL在0dB處共產(chǎn)生了－180°的相移。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)如果想穩(wěn)定，則零點(diǎn)應(yīng)該在0dB點(diǎn)之前提供正相移。然而，因?yàn)榱泓c(diǎn)在320kHz處，已經(jīng)在系統(tǒng)帶寬之外了，所以沒(méi)有起到補(bǔ)償作用。

4.5.2.3LDO輸出電容的選擇

因?yàn)檩敵鲭娙菔怯脕?lái)補(bǔ)償LDO的，所以選擇時(shí)必須仔細(xì)。基本上所有的LDO應(yīng)用中引起的振蕩都是因?yàn)檩敵鲭娙莸腅SR過(guò)高或過(guò)低。電容器類型的選擇很重要。最合適的電容器是鉭電解電容器（除了一些專門設(shè)計(jì)使用陶瓷電容的LDO，例如：LP2985），盡管具有大容量的鉭電解電容器尺寸很大。鋁電解電容器的尺寸很小，但其ESR在低溫時(shí)會(huì)變差，并且在－30℃以下無(wú)法正常工作。多層陶瓷電容器類型無(wú)法為普通的LDO提供足夠的電容。測(cè)試一個(gè)AVX的4.7uF的鉭電容可知它在25℃時(shí)ESR為1.3Ω，該值處在穩(wěn)定范圍的中心（如圖4.13）。 另一點(diǎn)非常重要，AVX電容的ESR在－40℃到＋125℃溫度范圍內(nèi)的變化小于2:1。鋁電解電容在低溫時(shí)的ESR會(huì)變大很多，所以不適合作LDO的輸出電容。 必須注意大的陶瓷電容（≥1uF）通常會(huì)用很低的ESR（＜20mΩ），這幾乎會(huì)使所有的LDO產(chǎn)生振蕩（除了明確指出可以用陶瓷電容做輸出匹配的）。如果使用陶瓷電容就要串聯(lián)電阻以增加ESR。大的陶瓷電容的溫度特性很差（通常是Z5U的），也就是說(shuō)在工作范圍內(nèi)的溫度的上升和下降會(huì)使容值成倍的變化。

4.5.3準(zhǔn)LDO的補(bǔ)償

在考慮準(zhǔn)LDO（如圖3.6）的穩(wěn)定性和補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題時(shí)，首先考慮到它兼有LDO和NPN穩(wěn)壓器的特性。因?yàn)闇?zhǔn)LDO利用NPN調(diào)整管，它的共集電極組合也就使它的輸出極（射極）看上去有相對(duì)低的阻抗。 然而，由于NPN的基極是由高阻抗PNP電流源驅(qū)動(dòng)的，所以準(zhǔn)LDO的輸出阻抗不會(huì)達(dá)到使用NPN達(dá)林頓管的NPN穩(wěn)壓器的輸出阻抗那樣低。（但是它比真正的LDO的輸出阻抗要低）。 也就是說(shuō)準(zhǔn)LDO的功率極點(diǎn)的頻率比NPN穩(wěn)壓器的低，因此準(zhǔn)LDO也需要一些補(bǔ)償以達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)然了這個(gè)功率極點(diǎn)的頻率要比LDO的頻率高很多，因此準(zhǔn)LDO需要更小的電容而且對(duì)ESR的要求也不很苛刻。 例如，準(zhǔn)LDO LM1085可以輸出高達(dá)3A的負(fù)載電流卻只需10uF的鉭輸出電容來(lái)確保穩(wěn)定性。而且并未提供ESR圖，因?yàn)樵诖薒DO應(yīng)用中對(duì)電容的ESR要求很寬松。

4.5.4要求低ESR的特定LDO

隨著陶瓷電容工藝發(fā)展，容量可以做的越來(lái)越大，而便攜設(shè)備對(duì)電路面積小型化要求越來(lái)越高，許多廠家推出的LDO的輸出電容可以使用陶瓷電容之類的具有超低ESR的電容。例如國(guó)半的LP2985和LP2989，使用的電容的ESR可以低到5-10mΩ。通常這樣小的ESR會(huì)使普通的LDO引起振蕩。

為了使LDO在使用如此低的ESR時(shí)仍能夠穩(wěn)定工作，廠家已經(jīng)在芯片內(nèi)部通過(guò)使用內(nèi)置零點(diǎn)代替了先前的鉭電容的ESR零點(diǎn)。這樣做是為了將穩(wěn)定的ESR取值的上限降低。未在內(nèi)部添加零點(diǎn)的典型LDO的穩(wěn)定ESR的范圍一般為100mΩ到5Ω（只適合使用鉭電容并不適合使用陶瓷電容）。內(nèi)置零點(diǎn)的穩(wěn)定范圍是3mΩ到500mΩ因此它可以使用陶瓷電容。

要弄清穩(wěn)定范圍上限下降的原因請(qǐng)參考圖4.12。正如以上所提到的，此LDO零點(diǎn)被集成在內(nèi)部。因此外部電容產(chǎn)生的零點(diǎn)必須處在足夠高的頻率，這樣就不能使帶寬很寬。否則，高頻極點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的相移從而導(dǎo)致振蕩。

5.1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(guò)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。

5.2最大輸出電流(Maximum Output Current)

由于線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，因此LDO最大輸出電流主要取決于它調(diào)整管的節(jié)點(diǎn)溫度，封裝材料的熱阻以及工作的環(huán)境溫度。一般器件手冊(cè)上都會(huì)給出最大輸出電流的參數(shù)。關(guān)于電流計(jì)算，可以參考后文5.11功耗和節(jié)點(diǎn)溫度。

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。

5.3壓降(Dropout Voltage)

壓降也叫輸入輸出電壓差，是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。當(dāng)輸入電壓下降到一定程度時(shí)輸出電壓將不再維持在一個(gè)恒定的電壓。該點(diǎn)發(fā)生在輸入電壓不斷接近輸出電壓時(shí)。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。

圖5.1是一個(gè)典型的LDO電路，在非調(diào)整區(qū)域PMOS可以看作一個(gè)電阻，電壓降下量可以標(biāo)示為：

Vdropout=Io*Ron

圖 5.1

下圖是TPS76733的輸入輸出特性，輸出1A的時(shí)候它的壓降是350mV，從輸入電壓是3.65V的時(shí)候輸出電壓就開(kāi)始下降，從2V到3.65V是該LDO的非調(diào)整區(qū)域。輸入電壓如果低于2V將不會(huì)有輸出，也就是說(shuō)LDO不工作。比較低的電壓降有利于提高LDO效率。

圖 5.2 一款3.3V LDO輸出電壓降圖

5.4接地電流(Ground Pin Current)

接地電路IGND也稱為靜態(tài)電流，定義為暑促電流與輸入電流的差。圖5.3定義了靜態(tài)電流Iq=Ii-Io。通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。

圖5.3 LDO的靜態(tài)電流

靜態(tài)電流由調(diào)整管的偏置電流（比如說(shuō)參考電壓消耗電流，采樣電阻消耗電流，誤差放大器消耗電流）和驅(qū)動(dòng)調(diào)整管基極的電流組成。它的大小主要由調(diào)整管，LDO的結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度決定。

對(duì)于雙極型晶體管，靜態(tài)電流隨著負(fù)載電流成比例的增加，因?yàn)殡p極型晶體管是電流驅(qū)動(dòng)器件。另外在非調(diào)整區(qū)域，由于發(fā)射極和基極寄生電流路徑的影響靜態(tài)電流也會(huì)增加，該寄生電流路徑是由于基極電壓比輸出電壓低所引起的。

對(duì)于MOS管，靜態(tài)電流幾乎不隨負(fù)載的變化而變化，幾乎是一個(gè)恒定值，因?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件。對(duì)采用MOS管的LDO來(lái)說(shuō)，對(duì)靜態(tài)電流有貢獻(xiàn)的只有參考電壓的消耗，采樣電阻消耗電流，誤差放大器消耗電流。因此在應(yīng)用中如果對(duì)靜態(tài)電流的消耗比較苛刻的話，最好采用MOS管作為調(diào)整管的LDO。

5.5負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation)

負(fù)載調(diào)整率是表征LDO抑制負(fù)載干擾能力的指標(biāo)，直接反應(yīng)了負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響。可以通過(guò)圖5.4和式5-1來(lái)定義：

圖5.4 輸出電壓&電流曲線

式5-1

式中

△Vload—負(fù)載調(diào)整率

Imax—LDO最大輸出電流

Vt—輸出電流為Imax時(shí)，LDO的輸出電壓

Vo—輸出電流為0.1mA時(shí)，LDO的輸出電壓

△V—負(fù)載電流分別為0.1mA和Imax時(shí)的輸出電壓之差

LDO的負(fù)載調(diào)整率越小，說(shuō)明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。

提高開(kāi)環(huán)增益有注意改善負(fù)載調(diào)整率。

5.6線性調(diào)整率(Line Regulation)

線性調(diào)整率是表征LDO抑制輸入電壓變化干擾能力的指標(biāo)，直接表明了輸入電壓對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性的影響。可以通過(guò)圖5.5和式5-2來(lái)定義，LDO的線性調(diào)整率越小，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓影響越小，LDO的性能越好。

圖5.5 LDO輸出電壓&輸入電壓曲線

式5-2

式中

△Vline—LDO線性調(diào)整率

Vo—LDO名義輸出電壓

Vmax—LDO最大輸入電壓

△V—LDO輸入Vo到Vmax'輸出電壓最大值和最小值之差 。

增加LDO的開(kāi)環(huán)增益有助于提高線性調(diào)整率。

5.7效率

LDO的效率與輸入輸出電壓，靜態(tài)電流有關(guān)，計(jì)算公式如下：

為了盡可能提高效率，必須使壓降和靜態(tài)電流盡可能小。另外輸入和輸出電壓之間的差也應(yīng)該盡可能小，因?yàn)長(zhǎng)DO的。如果不考慮負(fù)載的話，輸入和輸出電壓的差是決定效率的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

5.8瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)被定義為在輸出階躍電流條件下，輸出電壓的最大允許變化量。

瞬態(tài)響應(yīng)通常與輸出電容大小，等效ESR，旁路電容，最大允許負(fù)載電流大小有關(guān)。

瞬態(tài)電壓的變化量可以定義為

Δt1與LDO閉環(huán)帶寬有關(guān)，ΔVESR是由于輸出電容的ESR導(dǎo)致的變化量的大小，實(shí)際應(yīng)用決定了這個(gè)值應(yīng)該多小。

圖5.6是一個(gè)1.2V LDO的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，輸出電容的大小為4.7uF，瞬間負(fù)載吸收將近90mA的電流，電壓最大的下降量為120mV。隨后在1us的時(shí)間里L(fēng)DO控制環(huán)路對(duì)負(fù)載電流的變化做出響應(yīng)（Δt1=1us）,LDO的帶寬決定了Δt1大小，最后17us之內(nèi)輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

為了獲得更好的瞬態(tài)響應(yīng)，LDO需要更寬的帶寬，更大的輸出容量，低ESR電容（當(dāng)然要滿足最小ESR要求）

5.9紋波抑制比

電源噪聲抑制比也叫紋波抑制比。是衡量LDO對(duì)輸入電壓電源變動(dòng)抑制的一種能力，與線性調(diào)整率不同的一點(diǎn)是，紋波抑制比需要考慮很寬的頻率范圍。

圖5.7 紋波抑制比

紋波抑制比的定義：

舉個(gè)例子，頻帶為100kHz范圍內(nèi)的文博抑制對(duì)于DC/DC電源給線性電源供電的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)镈C/DC電源紋波頻率正好在這個(gè)范圍之內(nèi)。圖5.7所示的100kHz到1MHz范圍內(nèi)的LDO的紋波抑制比就不怎么好。

控制環(huán)路往往是決定紋波抑制比的主要因素，大的輸出電容，低ESR，追加旁路電容能夠改善紋波抑制比。

5.10 精度

考慮到LDO線性調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，參考電壓漂移，誤差放大器電壓漂移，外部取樣電阻的精度，溫度細(xì)說(shuō)等綜合參數(shù)的總體影響，有了精度這個(gè)概念。

對(duì)于LDO輸出電壓變化影響最大的是溫度。因?yàn)閰⒖茧妷汉驼`差放大器對(duì)溫度的變化比較敏感。其次是電阻的精度。線性調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，增益誤差對(duì)精度的影響只有1%到3%。

5.11 功耗和節(jié)點(diǎn)溫度

大多數(shù)的LDO為了確保能夠正常動(dòng)作都會(huì)指定它的最大節(jié)點(diǎn)溫度。最大節(jié)點(diǎn)溫度范圍之內(nèi)，LDO不會(huì)損壞。

線性電壓調(diào)整器在工作時(shí)承載的功耗極限由器件結(jié)點(diǎn)(Junction)極限溫度決定 。功耗由兩部分組成:

(1) 輸出電流乘以輸入輸出電壓差 (Iout)(Vin-Vout)；

(2) GND引腳電流乘以輸入電壓 (IGND )(Vin) 。

功耗產(chǎn)生熱的溫度不能超過(guò)結(jié)點(diǎn)溫度極限(125℃) 。

為了保證節(jié)點(diǎn)溫度不至于過(guò)高，LDO的功耗必須限定在一定的范圍之內(nèi)。有必要計(jì)算最大允許功耗Pdmax和實(shí)際功耗Pd。很顯然Pd必須小于等于Pdmax。

LDO最大熱耗計(jì)算公式：

這里，Tjmax為節(jié)點(diǎn)最高溫度

TA為環(huán)境溫度

RΘja為節(jié)點(diǎn)溫度到環(huán)境溫度的熱阻

LDO功耗計(jì)算公式：

以LT1764EQ為例， 假定輸出電壓3.3V，輸入電壓范圍46V，輸出電流0500mA，最大環(huán)境溫度為50℃，則計(jì)算最大結(jié)點(diǎn)溫度為:

IOUT(MAX)(VIN(MAX) - VOUT) + IGND(VIN(MAX))

這里:

IOUT(MAX) = 500mA； VIN(MAX) = 6V； IGND at (IOUT = 500mA， VIN = 6V)= 10mA

于是:

P = 500mA(6V - 3.3V) + 10mA(6V) = 1.41W

DD封裝的熱阻根據(jù)敷銅面積不同取23℃/W~33℃/W， 因此結(jié)點(diǎn)溫升大約為:

1.41W(28℃/W) = 39.5℃

結(jié)點(diǎn)最大溫度為: TJMAX = 50℃ + 39.5℃ = 89.5℃< 125℃

因此，此設(shè)計(jì)是合理的。當(dāng)然目前許多線性穩(wěn)壓器都具有自保護(hù)特征，如過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等。