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電源系統優化設計,低壓差穩壓器(LDO)如何選型?

目錄

1、壓差

2、裕量電壓

3、靜态電流和接地電流

4、關斷電流

5、效率

6、直流負載調整率

7、直流輸入電壓調整率

8、直流精度

9、負載瞬态響應

10、線路瞬态響應

11、電源抑制

12、PSRR 與頻率的關系

13、PSRR 與負載電流的關系

14、PSRR與LDO裕量的關系

15、比較LDO PSRR 規格

16、輸出噪聲電壓

之前寫過一篇博文:LDO和DC-DC有什麼不同?如何選型?,其中簡單講解了LDO和DC-DC的選型技巧,最近閱讀ADI期刊恰好看到一篇關于LDO選型的文章,寫得很棒,分享給各位朋友~

低壓差穩壓器(LDO)看似簡單,但可提供重要功能,例如将負載與不幹淨的電源隔離開來或者建構低噪聲電源來為敏感電路供電。

本簡短教程介紹了一些常用的LDO相關術語,以及一些基本概念,如壓差、裕量電壓、靜态電流、接地電流、關斷電流、效率、直流輸入電壓和負載調整率、輸入電壓和負載瞬态響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。本文所述的概念将使設計人員能夠根據系統要求挑選最佳的LDO。

壓差(VDROPOUT)是指輸入電壓進一步下降而造成LDO 不再能進行調節時的輸入至輸出電壓差。在壓差區域内,調整元件作用類似于電阻,阻值等于漏極至源極導通電阻(RDSON)。

壓差用RDSON和負載電流表示為:

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RDSON包括調整元件電阻、片内互連電阻、引腳電阻和線焊電阻,并可通過LDO的壓差進行估算。例如,采用WLCSP封裝時,ADP151在200 mA負載下的最差情況壓差為200 mW,是以RDSON約為1.0 Ω。

圖1所示為LDO的原理示意圖。在壓差模式下,可變電阻接近于零。LDO無法調節輸出電壓,是以輸入電壓和負載調整率、精度、PSRR和噪聲等其他參數都沒有意義。

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圖2 顯示了3.0 VADM7172LDO的輸出電壓與輸入電壓之間的關系。2 A 時的壓差通常為172 mW,是以RDSON約為86 mΩ。壓差區域從約3.172 V 的輸入電壓下降到2.3 V。低于2.3 V 時,該器件不能正常工作。負載電流越小,壓差也會按比例下降:在1 A時,壓差為86 mV。低壓差可最大程度地提高調節器的效率。

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裕量電壓是指LDO 滿足其規格所需的輸入至輸出電壓差。資料手冊通常将裕量電壓作為指定其他參數時所用的條件。裕量電壓通常約為400 mV 至500 mV,但有些LDO 需要高達1.5 V 的裕量電壓。裕量電壓不應與壓差混淆,因為隻有當LDO 在壓差模式下工作時這兩者才相同。

靜态電流(IQ)是指當外部負載電流為零時為LDO 的内部電路供電所需的電流。它包括帶隙基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流和過溫檢測等電路的工作電流。靜态電流由拓撲結構、輸入電壓和溫度确定。

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當輸入電壓在2V 和5.5V之間變化時,ADP160 LDO 的靜态電流幾乎恒定不變,如圖3 所示。

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接地電流(IGND)是指輸入電流與輸出電流之差,并且必然包括靜态電流。低接地電流可最大程度地提高LDO效率。

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圖4顯示了ADP160 LDO的接地電流變化與負載電流之間的關系。

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對于高性能CMOS LDO,接地電流通常遠小于負載電流的1%。接地電流随負載電流的增加而增加,因為PMOS 調整元件的栅極驅動必須增加,以補償因其RON 引起的壓降。

在壓差區域内,在驅動器級開始飽和時,接地電流也會增加。對于要求具有低功耗或小偏置電流的應用而言,CMOS LDO 至關重要。

關斷電流是指輸出禁用時LDO 消耗的輸入電流。參考電路和誤差放大器在關斷模式下都不上電。較高的漏電流會導緻關斷電流随溫度升高而增加,如圖5 所示。

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LDO 的效率由接地電流和輸入/輸出電壓确定:

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若需獲得較高的效率,必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流。此外,還必須最大程度地縮小輸入和輸出之間的電壓差。輸入至輸出電壓差是确定效率的内在因素,與負載條件無關。例如,采用5 V 電源供電時,3.3 V LDO 的效率從不會超過66%,但當輸入電壓降至3.6 V 時,其效率将增加到最高91.7%,LDO 的功耗為(VIN – VOUT) × IOUT。

負載調整率衡量LDO 在負載條件變化時仍保持額定輸出電壓的能力。負載調整率定義如下(如圖6 所示):

負載調整率 = ∆VOUT/∆IOUT

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輸入電壓調整率是衡量LDO 在輸入電壓變化時仍保持規定輸出 電壓的能力。輸入電壓調整率定義為:

輸入電壓調整率 = ∆VOUT/∆VIN

圖7 顯示了不同負載電流條件下ADM7172的輸出電壓與輸入電壓之間的關系圖。輸入電壓調整率随着負載電流增加而變差,原因是LDO 的總環路增益不斷降低。

此外,LDO 的功耗也随輸入至輸出電壓差增加而增加,這會導緻結溫升高而使帶隙電壓和内部失調電壓降低。

整體精度會考慮輸入電壓和負載調整率、基準電壓漂移和誤差放大器電壓漂移的影響。穩壓電源上的輸出電壓變化主要是基準電壓源和誤差放大器的溫度變化造成的。

如果使用分立電阻來設定輸出電壓,這些電阻的容差可能是影響整體精度的最主要因素。輸入電壓和負載調整率與誤差放大器失調對整體精度的影響通常為1%至3%。

例如,可利用下列工作特性來計算3.3 V LDO 在0°C 至125°C 溫度範圍内的總精度:電阻溫度系數為±100 ppm/°C,采樣電阻容差為±0.25%,因負載調整和輸入電壓調整而引起的輸出電壓變化分别為±10 mV 和±5 mV,并且基準電壓源的精度為1%。

溫度導緻的誤差 = 125°C × ±100 ppm/°C = ±1.25%

采樣電阻導緻的誤差 = ±0.25%

負載調整率導緻的誤差 = 100% × (±0.01 V/3.3 V) = ±0.303%

輸入電壓調整率導緻的誤差 = 100% × (±0.005 V/3.3 V) = ±0.152%

基準電壓源導緻的誤差 = ±1%

最差情況誤差假定所有誤差都沿同一方向變化。

最差情況誤差 = ±(1.25% + 0.25% + 0.303% + 0.152% + 1%) = ±2.955%

典型誤差假定随機變化,是以采用此誤差的平方根(rss)。

典型誤差 = ±√(1.252 + 0.252 + 0.3032 + 0.1522 + 12) = ±1.655%

LDO 從不會超過最差情況誤差,而rss 誤差是最有可能的誤差。誤差分布會以rss 誤差為中心并擴充到在尾部包括最差情況誤差。

負載瞬态響應是指負載電流階躍變化時的輸出電壓變化。它與輸出電容值、電容的等效串聯電阻(ESR)、LDO 控制環路的增益帶寬以及負載電流變化的大小和速率有關。

負載瞬态的變化速率會對負載瞬态響應産生顯著影響。如果負載瞬态非常緩慢,比如100 mA/μs,LDO 的控制環路或許能夠跟蹤該變化。但是,如果負載瞬态較快,環路無法進行補償,則可能會出現異常行為,例如因低相位裕量而導緻過大的振鈴。

圖8 顯示了ADM7172 以3.75 A/μs 的變化速率對1 mA 至1.5 A 負載瞬态的響應曲線。1.5 μs 的0.1%恢複時間和最小振鈴表明其具有良好的相位裕量。

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輸入電壓瞬态響應是指輸入電壓階躍變化時的輸出電壓變化。它與LDO 控制環路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和速率有關。

圖9 顯示了ADM7150 對2 V 輸入電壓階躍變化的響應。輸出電壓偏差也顯示了環路帶寬和PSRR 的特性(參見下一部分)。對應于1.5 μs 内的2 V 變化,輸出電壓變化約為2 mV,表明約100 kHz時PSRR 約為60 dB。

同樣,跟在負載瞬态下一樣,輸入電壓的變化速率也對輸入瞬态響應有較大的影響。當輸入電壓緩慢變化(在LDO 的帶寬内隻出現一個凹陷)時,可隐藏振鈴或其他異常行為。

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簡單地說,PSRR 衡量電路抑制電源輸入端出現的外來信号(噪聲和紋波),使這些幹擾信号不至于破壞電路輸出的性能。PSRR 定義為:

PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其中,VEIN 和VEOUTT 分别是輸入端和輸出端出現的外來信号。

對于ADC、DAC 和放大器等電路,PSRR 适用于為内部電路供電的輸入端。對于LDO,輸入電源引腳為内部電路供電的同時也為輸出電壓供電。PSRR 具有與直流輸入電壓調整率相同的關系,但包括整個頻譜。

100 kHz 至1 MHz 範圍内的電源抑制非常重要,因為LDO 經常跟高效的開關電源配合使用來為敏感的模拟電路供電。

LDO 的控制環路往往是确定電源抑制性能的主要因素。同時大容量、低ESR 的電容也對電源抑制性能非常有用,特别是在頻率超過控制環路增益帶寬的情況下。

PSRR 不是通過單一值來定義,因為它與頻率相關。LDO 由基準電壓源、誤差放大器,以及MOSFET 或雙極性半導體等功率調整元件組成。誤差放大器提供直流增益以便調節輸出電壓。誤差放大器的交流增益特性在很大程度上決定了PSRR。典型LDO 在10 Hz 時可具有高達80 dB 的PSRR,但在數十kHz 時則可降至僅20 dB。

圖10 顯示了誤差放大器的增益帶寬和PSRR 之間的關系。這是一個簡化的示例,圖中忽略了輸出電容和調整元件的寄生效應。PSRR 為開環增益的倒數,直到3 kHz 時增益開始下降為止。然後,PSRR 以20 dB/十倍頻程的速率降低,直到3 MHz 時達到0dB。

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圖11 顯示了用來表征LDO PSRR 的三個主要頻域:基準電壓PSRR 區、開環增益區和輸出電容區。基準電壓PSRR 區取決于參考放大器的PSRR 和LDO 的開環增益。理想情況下,參考放大器需與電源擾動完全隔離,但實際上,參考放大器隻需抑制最高數十Hz 的電源噪聲,因為誤差放大器回報電路能確定在低頻時具有高PSRR。

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在大約10 Hz 以上的第二區中,PSRR 主要由LDO 的開環增益決定。此區中的PSRR 取決于誤差放大器的增益帶寬(最高為機關增益頻率)。在低頻時,誤差放大器的交流增益等于直流增益。增益保持不變,直至達到3 dB 截止頻率。在高于3 dB 截止頻率下,誤差放大器的交流增益随着頻率增加而降低,速率通常為20 dB/十倍頻程。

在誤差放大器的機關增益頻率以上,控制環路的回報對PSRR 沒有影響,此時PSRR 由輸出電容和輸入與輸出電壓之間的任何寄生效應确定。在這些頻率下,PSRR 主要受輸出電容的ESR,ESL以及電路闆布局布線的影響。為了降低任何高頻諧振的影響,必須特别注意布局布線。

負載電流影響誤差放大器回報環路的增益帶寬,是以也會影響PSRR。在低負載電流下(通常小于50 mA),調整元件的輸出阻抗很高。

由于控制環路的負回報,LDO 的輸出近乎是理想的電流源。輸出電容和調整元件形成的極點出現在相對較低的頻率,是以,PSRR 在低頻條件下往往會提高。低電流時輸出級的高直流增益往往也會提高誤差放大器機關增益點以下各頻率的PSRR。

在高負載電流下,LDO 輸出不能近似成一個理想電流源。調整元件的輸出阻抗會下降,進而導緻輸出級的增益降低,DC 至回報環路機關增益頻率之間的PSRR 會有所下降。當負載電流增加時,PSRR 會急劇下降,如圖12 所示。當負載電流從400 mA 增加到800 mA 時,ADM7150的PSRR 在1 kHz 時降低了20 dB。

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輸出級帶寬随輸出極點頻率的升高而增加。在高頻條件下,PSSR應會随帶寬增加而提高,但實際上,由于總環路增益降低,高頻PSRR 可能不會提高。一般而言,輕載時的PSRR 優于重載時。

PSRR 也與輸入到輸出電壓差(即裕量)有關。對于固定裕量電壓,PSRR 随着負載電流的增加而降低;這在高負載電流和小裕量電壓時尤其明顯。圖13 顯示了5 V ADM7172 在2 A 負載下PSRR 與裕量電壓之間的關系差異。

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随着負載電流增加,調整元件(ADM7172 的PMOSFET)脫離飽和狀态,進入線性工作區,其增益相應地降低。這導緻LDO的總環路增益降低,因而PSRR 下降。裕量電壓越小,增益降幅越大。在某些小裕量電壓下,控制環路根本沒有增益,PSRR 幾乎會降至0。

導緻環路增益降低的另一個因素是調整元件的非零電阻RDSON。負載電流在RDSON 上引起的任何壓降都會導緻調整元件有效裕量降低。例如,如果調整元件是一個1 Ω 的器件,當負載電流為200 mA時,裕量将降低200 mV。當LDO 在1 V 或更低的裕量電壓下工作時,估算PSRR 時必須考慮此壓降。

在壓差模式下,PSRR 是由RDSON 和輸出電容形成的極點決定的。在非常高的頻率下,PSRR 會受輸出電容ESR 與RDSON 的比值限制。

比較LDO 的PSRR 規格時,應確定測量是在相同的測試條件下進行的。許多舊式LDO 僅指定120 Hz 或1 kHz 時的PSRR,而未提及裕量電壓或負載電流。至少,電氣技術規格表中的PSRR 應針對不同的頻率列出。為使比較有意義,最好應使用不同負載和裕量電壓下的PSRR 典型工作性能曲線。

輸出電容也會影響高頻時的LDO PSRR。例如,1 μF 電容的阻抗是10 μF 電容的10 倍。在頻率高于誤差放大器的機關增益交越頻率時,電源噪聲的衰減與輸出電容有關,此時電容值就特别重要。比較PSRR 資料時,輸出電容的類型和值必須相同,否則比較無效。

輸出噪聲電壓是指在恒定輸出電流和無紋波輸入電壓條件下,給定頻率範圍(通常為10 Hz 或100 Hz 至100 kHz)上的RMS 輸出噪聲電壓。LDO 的主要輸出噪聲源是内部基準電壓源和誤差放大器。現代LDO 采用數十nA 的内部偏置電流工作,以便實作15μA或更低的靜态電流。這些低偏置電流要求使用高達GΩ 級的偏置電阻。輸出噪聲的典型範圍為5 μ V r ms 至100 μV rms。圖14 顯示了ADM7172 輸出噪聲與負載電流之間的關系。

ADM7172 等部分LDO 可使用外部電阻分壓器來設定初始設定點以上的輸出電壓,使初始設定為1.2 V 的器件可提供3.6 V 輸出電壓。對于這樣的應用,可向該分壓器添加降噪網絡,以便使輸出噪聲恢複到接近初始固定電壓的水準。

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LDO 輸出噪聲的另一種表示方式是噪聲頻譜密度。在寬頻率範圍内繪制給定頻率下1 Hz 帶寬上的rms 噪聲曲線圖,然後使用該資訊來計算給定頻率帶寬下的rms 噪聲。圖15 顯示了ADM7172 在1 Hz 到10 MHz 範圍内的噪聲頻譜密度。

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LDO 看似簡單實則非常重要。若要正确運用這些LDO 并獲得最佳結果,必須綜合考慮很多因素。對常用LDO 術語有個基本了解後,設計工程師便可有效運用資料手冊來确定對于設計而言最為重要的參數

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