線性穩(wěn)壓器:原理、類型與工程應(yīng)用(四)
輸出噪聲是穩(wěn)壓器自身產(chǎn)生的隨機(jī)電壓波動(dòng),通常以 μVrms(有效值)表示,頻率范圍 10Hz~100kHz。噪聲主要來(lái)源于基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器,低噪聲 LDO 通過(guò)濾波電容和噪聲抑制電路(如內(nèi)部 RC 濾波)降低噪聲,例如用于音頻運(yùn)放供電的 LDO 需噪聲 < 50μVrms(如 TPS7A3001),而射頻前端可能要求 < 10μVrms(如 MAX77693)。
靜態(tài)電流(Iq)是穩(wěn)壓器自身消耗的電流(不包括負(fù)載電流),對(duì)電池供電設(shè)備至關(guān)重要。傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的 Iq 較大(如 7805 約 5mA),而現(xiàn)代 LDO 的 Iq 可低至 100nA 以下(如 TPS7A16 的 Iq=60nA),在低負(fù)載場(chǎng)景(如傳感器休眠時(shí) Io=10μA)下,靜態(tài)電流甚至可能成為總功耗的主要部分。
工程設(shè)計(jì):應(yīng)用要點(diǎn)與 PCB 布局
線性穩(wěn)壓器的實(shí)際性能不僅取決于器件本身,還與外圍電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局密切相關(guān),合理的設(shè)計(jì)可顯著提升穩(wěn)定性和噪聲特性。
外圍元件選型
輸入電容(Cin):用于濾除輸入電壓的高頻噪聲,穩(wěn)定調(diào)整管的輸入端電壓,通常選用 1~10μF 的陶瓷電容(X5R 或 X7R 材質(zhì)),容值需滿足穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)的最小要求(如≥1μF)。在輸入線較長(zhǎng)(>10cm)時(shí),需增加 100μF 電解電容抑制低頻紋波。
輸出電容(Cout):維持輸出電壓穩(wěn)定,尤其是在負(fù)載瞬態(tài)變化時(shí)提供瞬時(shí)電流,通常選用 1~22μF 陶瓷電容,ESR(等效串聯(lián)電阻)需符合穩(wěn)壓器要求(如 < 100mΩ)。對(duì)于低壓差 LDO,輸出電容的容值和 ESR 直接影響環(huán)路穩(wěn)定性,需嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦值(如 TC1185 要求 Cout≥2.2μF,ESR 10~100mΩ)。
反饋電阻(可調(diào)輸出型):選用高精度(±0.1%~±1%)、低溫漂(<100ppm/℃)的金屬膜電阻,確保輸出電壓精度,電阻值通常在 10kΩ~100kΩ 之間(過(guò)小會(huì)增加功耗,過(guò)大易受噪聲干擾)。
PCB 布局原則
模擬與數(shù)字分區(qū):LDO 及其外圍元件應(yīng)遠(yuǎn)離高頻數(shù)字電路(如 MCU、時(shí)鐘振蕩器),避免電磁干擾耦合到輸出端。
短路徑布線:輸入電容、輸出電容應(yīng)緊貼穩(wěn)壓器的 Vin 和 Vout 引腳,布線盡量短粗(線寬≥0.5mm),減少寄生電感和電阻。
接地設(shè)計(jì):采用單點(diǎn)接地(Star Ground),將 LDO 的 GND 引腳、輸入 / 輸出電容的接地端連接到同一接地平面,避免接地環(huán)路引入噪聲。
散熱考慮:對(duì)于大功率 LDO(Io>500mA),需設(shè)計(jì)足夠的散熱銅皮(面積≥1cm2),或通過(guò)散熱焊盤(pán)(Exposed Pad)連接到接地平面,確保結(jié)溫不超過(guò)額定值(通常 125℃~150℃)。