低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)淺談

引言

便攜電子設(shè)備不管是由交流市電經(jīng)過整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內(nèi)變化。比如單體鋰離子電池充足電時(shí)的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，變化范圍很大。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負(fù)載變化的影響。為了保證供電電壓穩(wěn)定不變，幾乎所有的電子設(shè)備都采用穩(wěn)壓器供電。小型精密電子設(shè)備還要求電源非常干凈（無(wú)紋波、無(wú)噪聲），以免影響電子設(shè)備正常工作。為了滿足精密電子設(shè)備的要求，應(yīng)在電源的輸入端加入線性穩(wěn)壓器，以保證電源電壓恒定和實(shí)現(xiàn)有源噪聲濾波[1]。

一．LDO的基本原理

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本電路如圖1-1所示，該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

圖1-1 低壓差線性穩(wěn)壓器基本電路

取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行，調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應(yīng)速度的限制。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，實(shí)際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當(dāng)具有許多其它的功能，比如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護(hù)等，而且串聯(lián)調(diào)整管也可以采用MOSFET。

二．低壓差線性穩(wěn)壓器的主要參數(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2-1和式2-1來(lái)定義，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)。

圖2-1 Output VoltageOutput Current

(2-1)

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

6．線性調(diào)整率(Line Regulation)

線性調(diào)整率可以通過圖2-2和式2-2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2-2 Output VoltageInput Voltage

(2-2)

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

7．電源抑制比(PSSR)

LDO的輸入源往往許多干擾信號(hào)存在。PSRR反映了LDO對(duì)于這些干擾信號(hào)的抑制能力。

三．LDO的典型應(yīng)用

低壓差線性穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用如圖3-1所示。圖3-1(a)所示電路是一種最常見的AC/DC電源，交流電源電壓經(jīng)變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟妷?。在該電路中，低壓差線性穩(wěn)壓器的作用是：在交流電源電壓或負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定輸出電壓，抑制紋波電壓，消除電源產(chǎn)生的交流噪聲。

各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內(nèi)變化。為了保證蓄電池組輸出恒定電壓，通常都應(yīng)當(dāng)在電池組輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如圖3-1(b)所示。低壓差線性穩(wěn)壓器的功率較低，因此可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。同時(shí)，由于低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸入電壓接近，因此在蓄電池接近放電完畢時(shí)，仍可保證輸出電壓穩(wěn)定。

眾所周知，開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如圖2-3(c)所示，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會(huì)明顯降低。

在某些應(yīng)用中，比如無(wú)線電通信設(shè)備通常只有一足電池供電，但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只穩(wěn)壓器供電。為了節(jié)省共電池的電量，通常設(shè)備不工作時(shí)，都希望低壓差線性穩(wěn)壓器工作于睡眠狀態(tài)。為此，要求線性穩(wěn)壓器具有使能控制端。有單組蓄電池供電的多路輸出且具有通斷控制功能的供電系統(tǒng)如圖3-1(d)所示。

圖3-1 低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)典型應(yīng)用

四．國(guó)內(nèi)LDO發(fā)展概況

中國(guó)集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40余年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)加速發(fā)展的新階段[2]。借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，充分利用國(guó)內(nèi)優(yōu)惠政策，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)各個(gè)IC公司發(fā)展的立足點(diǎn)。

作為被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、DVD、數(shù)碼相機(jī)以及Mp3等多種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的穩(wěn)壓芯片，LDO已引起人們的高度重視。國(guó)內(nèi)早期從事LDO生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO，足以滿足當(dāng)前市場(chǎng)上主流電壓、電流的需要；它的SG2004、SG2011以及SG2012系列產(chǎn)品，非常適合于大電流負(fù)載應(yīng)用；而它的SGM2007/2006/2005系列RF LDO更適用于手機(jī)電源的應(yīng)用。盡管是國(guó)產(chǎn)芯片，但這些芯片的性能絲毫不遜色于國(guó)外同類產(chǎn)品，而價(jià)格更適合于當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

由此看來(lái)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外IC發(fā)展的差距將不會(huì)越來(lái)越大，每個(gè)國(guó)人都可以相信，中國(guó)不僅可以成為IC產(chǎn)業(yè)的新興地區(qū)，更能成為世界IC強(qiáng)國(guó)。

參考文獻(xiàn)

1．王國(guó)華，王鴻麟，羊彥等.便攜電子設(shè)備電源管理技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社.2004,1