LDO的原理及應用


 01、LDO定義

LDO即lowdropoutregulator,是一種低壓差線性穩壓器。這是相對於傳統的線性穩壓器來說的。傳統的線性穩壓器,如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V,否則就不能正常工作。但是在一些情況下,這樣的條件顯然是太苛刻了,如5V轉3.3V,輸入與輸出之間的壓差只有1.7v,顯然這是不滿足傳統線性穩壓器的工作條件的。針對這種情況,芯片制造商們才研發出了LDO類的電壓轉換芯片。

02、LDO的特點

低壓降(LDO)線性穩壓器的成本低,噪音低,靜態電流小,這些是它的突出優點。它需要的外接元件也很少,通常只需要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩壓器可達到以下指標:輸出噪聲30μV,PSRR為60dB,靜態電流6μA,電壓降只有100mV。

看了上面的定義,在不了解LDO結構的前提下,大家使用模電知識可以聯想到下圖低壓降穩壓器。

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上圖是最基本的穩壓電路,核心器件是穩壓管,它的穩壓工作區間決定了輸出穩壓的范圍,通過這種簡單電路,可以實現小電流(百mA級別),小動態范圍內的穩壓。

把上面電路升級一下,如下圖:

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上述電路僅多了一個2N3055三極管,目的就是提升輸出帶載能力,同時三極管還引入了電壓負反饋,起到穩定輸出電壓的作用。當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大,輸出電壓Vout會瞬間增加,三極管的射極電Ve壓隨之增大,如果基極電壓Vb不變,則Vb-Ve就會減小,進而輸出電流減小,Vout減小。

上圖只是簡單基礎的低壓降穩壓器。注意,和我們說的LDO,差了“線性”二字。這里看出上述電路輸出電壓Vout會受到Vbe電壓波動的影響,穩定性較差。且輸出電壓不可調節。

03、LDO電路

在上述電路的基礎上添加“線性”因素,也就是引入運算放大器,加深負反饋的同時提高輸出電壓穩定性。這也就構成了我們所說的低壓差線性穩壓器。電路圖如下

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在基本穩壓管調整電路基礎上增加了運算放大器A和分壓電阻采樣網絡R1和R2。當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大,輸出電壓Vout會瞬間增加,通過R1、R2分壓采樣得到的電壓也增加,由於是反向端輸入,運放A的輸出會相應減小,則Vb-Ve就會減小,進而輸出電流減小,Vout減小。由上圖電路可以知道,LDO是通過電阻分壓的,也即是LDO只能降壓,不能升壓。而且電流不能過大。

04、LDO應用

LDO的芯片有很多種,我使用過的有AMS1117,spx3819,TLV702x等等。下面我們以spx3819為例簡單說一下LDO的應用。

spx3819的特點如下

  1. 低噪聲:可能達到40uV

  2. 高精度:1%

  3. 電池反接保護

  4. 低壓降:滿載時為340mV

  5. 低靜態電流:90uA

  6. 零關模電流

  7. 固定輸出:1.2V,1.5V,1.8V,2.5V,3.0V,3.3V,5.0V

不同的LDO具有不同的性能,大家根據自己實際項目的需求選擇。

spx3819的電路圖如下,可以看到LDO外圍電路十分簡單。這也是LDO的優點。

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spx3819提供了3種不同的封裝,適用於很多場景。

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它有輸出額定電壓版本,也就是上文說到的固定輸出:1.2V,1.5V,1.8V,2.5V,3.0V,3.3V,5.0V,通過不同的型號后綴區分。

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當然也提供了調節電壓的版本,電路和輸出電壓公式如下

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05、功耗問題

上面我們講解到LDO的原理,是通過電阻分壓的,這使得LDO不適用於大電流的場景,一般不大於1A。這也引出了LDO繞不開的話題:功耗和散熱問題。

選擇LDO首先要考慮的是LDO的最大輸入電壓范圍和LDO電流輸出的能力

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然后較大的電流或較大的LDO電壓降會導致較高的組件功率損耗

下圖顯示的是在特定功率下,LDO電壓降和LDO電流之間的關系

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當LDO的功耗增加時,LDO封裝的散熱功能也必須能夠配合,常見的封裝如下

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LDO的功耗是曲跨於LDO上的電壓降乘以流過LDO的電流而決定,功率主要是損耗在LDO的導通組件,是硅晶變熱

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損耗的功率取決於IC封裝、PCB布局、環境溫度

例如:SOT23的封裝,透視圖如下

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中心引腳連接到貼着晶粒的導線架。散熱主要是向空中散熱,通過引腳向PCB散熱。

因為外側引腳與硅晶粒之間的結合線很細,也就是下圖的4個引腳,所以主要靠中間的引腳散熱,上面也說過,中間引腳連接着導線架。所以可以設計中間的引腳的PCB比較寬。

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還有SOP-08的封裝,底層的銅線也可以用於散熱。

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如果按照下圖設計,散熱效果會更好

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06、總結

LDO的優點包括:

(1)結構簡單,外圍器件少,使用方便。

(2)無開關噪聲,可應用於要求高精度低噪聲的模擬電路中。

但缺點也同樣明顯:

(1)只能降壓,不能升壓。

(2)效率低,特別是輸入電壓高的情況下,一般負載電流小於1A情況下使用。

 

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