低壓差線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

上述5種線性穩(wěn)壓器的壓差計(jì)算公式如表1所列。

1．2 LDO的主要特點(diǎn)
LDO的主要特點(diǎn)是可最大限度地降低調(diào)整管壓降，從而大大減小了輸入一輸出壓差，使穩(wěn)壓器能在輸入電壓略高于額定輸出電壓的條件下工作。例如，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器7805或LM317，要求輸入電壓必須比輸出電壓高出2．5～3V才能正常工作。為獲得+5V輸出，就需要+8V的輸入電壓。與之相比，新型低壓差穩(wěn)壓器的輸入電壓只需高于+5．3V，即可獲得+5V輸出。從電源效率上看，LM317工作在+3．3V、1A時(shí)的效率低于50％，若采用Micrel公司的MIC5156型3．3V大電流LDO，則當(dāng)輸入電壓略高于3．3V時(shí)其效率高達(dá)95％。
LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，主要有以下6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(1)穩(wěn)壓性能好；
(2)低噪聲(可達(dá)幾十個(gè)微伏，無開關(guān)噪聲)、低紋波(電源抑制比可達(dá)60~70dB)，這對(duì)于無線電和通信設(shè)備至關(guān)重要；
(3)低靜態(tài)電流(超βLDO的靜態(tài)電流可低至幾微安至幾十微安)，低功耗，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓接近時(shí)可達(dá)到很高的效率；
(4)具有快速響應(yīng)能力，能對(duì)負(fù)載及輸入電壓的變化做出快速反應(yīng)；
(5)外圍電路簡(jiǎn)單(僅用兩只電容器)，使用方便；
(6)成本低廉。

2 LDO的電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
對(duì)于特定的應(yīng)用，可根據(jù)設(shè)計(jì)條件來選擇最合適的LDO。設(shè)計(jì)條件主要包括輸入電源的類型(電池或者交流電源)、輸出電壓及電壓精度、最大負(fù)載電流、靜態(tài)(即空載條件下的)電流、特點(diǎn)(有無關(guān)斷、故障標(biāo)志輸出等功能)。設(shè)計(jì)LD0時(shí)主要應(yīng)考慮以下問題。
2．1 輸出電壓
固定輸出式LD0的外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便，并且能節(jié)省外部取樣電阻分壓器的成本和空間。其輸出電壓值在出廠時(shí)已趨于一致(僅限于通用電壓)，輸出電壓精度一般為±5％，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠了。新型LD0采用激光修正技術(shù)，精度指標(biāo)可達(dá)±1％～±2％。特別需要注意產(chǎn)品說明書所給出精度指標(biāo)的適用條件，例如是在室溫下還是在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，是滿載條件下還是在中等負(fù)載或空載條件下。
可調(diào)輸出式LD0允許在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。若將輸出端與反饋端相連，使輸出電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，則最低輸出電壓一般為1．2V左右。
2．2 最大輸出電流
最大輸出電流是LDO的一個(gè)基本參數(shù)。通常，輸出電流越大，LD0的價(jià)格越高。LDO必須能在最不利的工作條件下給負(fù)載提供足夠的電流。
2．3 輸入電壓
要求輸入電壓必須大于額定輸出電壓與輸入一輸出壓差之和，即U1>U0+△U。否則LDO將失去穩(wěn)壓功能，輸出電壓會(huì)隨輸入電壓而改變，此時(shí)U0就等于輸入電壓減去調(diào)整管導(dǎo)通電阻(RON)與負(fù)載電流的乘積，即U0=U1-RONI0。
2．4 壓差
壓差是LDO的重要參數(shù)，它表示輸入與輸出之間的電位差。LD0的壓差越小越好。但是當(dāng)輸入電壓不能滿足“最小壓差”的要求時(shí)，LD0就無法正常工作。此時(shí)誤差放大器會(huì)進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)，使環(huán)路的增益變?yōu)榱?，?duì)負(fù)載的穩(wěn)壓能力會(huì)變得很差，電源抑制比也大幅度降低。
需要注意以下幾點(diǎn)：
第一，在LD0的參數(shù)表中可以有多個(gè)甚至多組壓差數(shù)據(jù)，例如在輕載、中等負(fù)載、滿載條件下壓差的最小值、典型值和最大值。其中，典型值僅供設(shè)計(jì)時(shí)參考。最具有實(shí)際意義的應(yīng)是滿載條件下壓差的最大值，該參數(shù)值是在最不利的情況下測(cè)得的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以此為依據(jù)，以便留出足夠的余量，確保LDO在最壞的情況下也能正常工作。
第二，為可靠起見，有時(shí)可按U1=U0+△U+lV的關(guān)系式來選擇最低輸入電壓值。
第三，輸入一輸出壓差并非固定值，它隨輸出電流的增加而增大，隨溫度升高而增加。
2．5 靜態(tài)電流
靜態(tài)電流是指在空載條件下或關(guān)斷輸出時(shí)，LDO內(nèi)部流向地的總電流。靜態(tài)電流越小，穩(wěn)壓器的功耗越低，在某些應(yīng)用中，經(jīng)常選擇待機(jī)模式將輸出關(guān)斷，此時(shí)電池的使用壽命就取決于靜態(tài)電流的大小。最近推出的新型LD0，靜態(tài)電流可低至75～150μA，并且比普通LDO的穩(wěn)壓特性更好。需要強(qiáng)調(diào)的是LDO的靜態(tài)電流不是一個(gè)固定值，它隨負(fù)載電流的增大而增加。但VLDO的靜態(tài)電流可近似認(rèn)為是恒定值。
2．6 輸入電源類型
輸入電源有兩種類型，一種是直流電源，另一種是交流電源。采用交流電時(shí)，首先要經(jīng)過電源變壓器和整流濾波器變成直流電，然后給LD0提供輸入電壓，此時(shí)LDO的壓差已不再是關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)橥ㄟ^增加電源變壓器二次繞組的匝數(shù)，很容易提高LDO的輸入電壓，滿足LDO對(duì)壓差的需要。
2．7 LDO的附加功能
(1)通/斷控制功能允許用機(jī)械開關(guān)、門電路或單片機(jī)來關(guān)斷LDO的輸出，使之進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式(亦稱備用模式)。
(2)輸入電壓反極性保護(hù)功能用來防止當(dāng)輸入電壓極性接反時(shí)損壞LDO。
(3)故障標(biāo)記輸出功能當(dāng)輸出電壓(或輸入電壓)低于規(guī)定閾值電壓時(shí)，LD0能輸出故障標(biāo)記信號(hào)。微處理器在接收到此信號(hào)后，可及時(shí)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等項(xiàng)工作。
(4)瞬變電壓保護(hù)功能將LDO用于汽車電子設(shè)備時(shí)，需要對(duì)負(fù)載的瞬態(tài)變化(如突然卸載)進(jìn)行保護(hù)。一旦輸出端出現(xiàn)瞬變電壓，立即將輸出關(guān)斷。等瞬變電壓過去之后，又迅速恢復(fù)正常工作。
(5)跟蹤能力 某些多路輸出式LDO需要具有跟蹤能力，其中一路或幾路輔助輸出電壓能自動(dòng)跟蹤主輸出電壓的變化，并及時(shí)調(diào)整自己的輸出電壓值，以減小各路輸出之間的相對(duì)變化量。
(6)排序所謂排序，就是在多個(gè)穩(wěn)壓電源構(gòu)成的電源系統(tǒng)中，使每個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出都能按照規(guī)定的順序接通或關(guān)斷。
(7)可編程可編程是指在規(guī)定范圍內(nèi)對(duì)LDO的輸出電壓進(jìn)行編程，設(shè)定輸出電壓值。對(duì)LDO進(jìn)行編程有以下3種方式：一次性可編程；非易失性多次可編程；易失性多次可編程。

3 印制板的布局
人們往往將LDO看成“直流電路”，但它實(shí)際上是由高頻晶體管組成的，為了快速響應(yīng)輸入電壓或輸出電流的變化，必須具備優(yōu)良的高頻特性。上述特性對(duì)印制板的布局和旁路電容都有嚴(yán)格要求。印制電路板(PCB)中的分布電容和分布電感會(huì)降低回路的補(bǔ)償作用，增加電路的不穩(wěn)定性。LDO的輸入電阻過大，會(huì)使壓降增大，進(jìn)而增加電路的損耗；而輸出電阻過大，會(huì)降低負(fù)載調(diào)整率。同樣，接地回路也會(huì)出現(xiàn)此類問題。上述問題可通過印制板的正確布局來加以解決。為減小分布電容和分布電感，輸入電容器和輸出電容器應(yīng)靠近LDO。在輸入電容器上并聯(lián)一只0．1μF的陶瓷電容器，能消除寄生阻抗的影響。在設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)時(shí)，容易忽略電池的高頻阻抗，采用陶瓷電容器可解決許多預(yù)料不到的問題。
LDO的兩條輸出引線電阻(r01和r02)，會(huì)造成不必要的壓降，影響對(duì)負(fù)載的調(diào)整。解決的方法是適當(dāng)增加印制導(dǎo)線的寬度以減小引線電阻值。當(dāng)負(fù)載距離LDO很遠(yuǎn)時(shí)，長(zhǎng)引線還極易引起噪聲。為了準(zhǔn)確檢測(cè)遠(yuǎn)程負(fù)載上的電壓，建議采用四線制接法，亦稱開爾文(Kelvin)接法，可調(diào)式輸出電路如圖2所示。該電路的特點(diǎn)是增加了兩條細(xì)導(dǎo)線作為檢測(cè)線，直接將負(fù)載R。上的電壓引到取樣電阻分壓器R1和R2的兩端。由于取樣電阻的阻值較大，細(xì)導(dǎo)線上通過的電流很小，所形成的壓降可忽略不計(jì)，因此能準(zhǔn)確檢測(cè)輸出電壓值。盡管原來的引線電阻r01和R02仍與負(fù)載串聯(lián)，但r02未包含在檢測(cè)電路中，因此所形成的壓降并不影響檢測(cè)精度。

采用交流電源時(shí)，交流電首先經(jīng)過電源變壓器和整流橋變換成直流脈動(dòng)電壓，然后送至濾波電容C1。此時(shí)接地回路如何布局是一個(gè)關(guān)鍵問題。由于脈動(dòng)電流一般要比平均直流電流大幾倍，因此在地線電阻r0上形成壓降，相對(duì)于負(fù)載而言就提高了GND端的電位，進(jìn)而使輸出電壓升高。由于接地回路和脈動(dòng)電流而降低固定輸出式電壓精度的電路如圖3所示。解決方法是采用單點(diǎn)接地、四線制接法，一方面將信號(hào)地線與功率地線分開布置，最后再匯合；另一方面則通過兩條檢測(cè)線將負(fù)載上的電壓直接加到取樣電阻分壓器上。具有遠(yuǎn)程檢測(cè)功能的可調(diào)式LDO的電路布局如圖4所示。

對(duì)于TO一220封裝的LDO，在功耗小于2W、中等溫度的條件下可不加散熱器。其他情況下必須加散熱器。連接散熱器的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，使熱量能更直接地傳遞到印制板上，可利用印制板上的覆銅箔作為散熱器，亦可接外部散熱器。

4 LDO的常見故障分析
LDO的常見故障分析如表2所列。