硬件設(shè)計(jì)之一——電源設(shè)計(jì)03：LDO設(shè)計(jì)
時(shí)間：2021-09-07 11:27:33
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[導(dǎo)讀]LDO概念LDO，lowdropoutregulator，中文是低壓差線性穩(wěn)壓器，它內(nèi)部的一般結(jié)構(gòu)如下圖：?用到的元器件也比較簡(jiǎn)單，一個(gè)串聯(lián)調(diào)整管VT，兩個(gè)分壓電阻R1，R2，放大器A，基準(zhǔn)電壓REF部分，然后就可以把輸入和輸出連接起來(lái)，由R1和R2分壓得到的放大器的同相輸入端電...
LDO，low dropout regulator，中文是低壓差線性穩(wěn)壓器，它內(nèi)部的一般結(jié)構(gòu)如下圖：?
用到的元器件也比較簡(jiǎn)單，一個(gè)串聯(lián)調(diào)整管VT，兩個(gè)分壓電阻R1，R2，放大器A，基準(zhǔn)電壓REF部分，然后就可以把輸入和輸出連接起來(lái)，由R1和R2分壓得到的放大器的同相輸入端電壓為取樣電壓，放大器反相輸入端電壓為一個(gè)基準(zhǔn)電壓，放大器的輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)整管，調(diào)整管的輸入輸出連接輸入輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout下降時(shí)，由R1和R2分壓的取樣電壓（即放大器的同相輸入端電壓）下降，因此放大器的輸出驅(qū)動(dòng)電流增加，從而導(dǎo)致串聯(lián)調(diào)整管的壓降減小，即Uin-Uout減小，最終使Uout電壓上升。當(dāng)輸出電壓Uout上升時(shí)同理。對(duì)于一些特定的應(yīng)用，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器不適合，因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钸^(guò)低就無(wú)法使用，這時(shí)?LDO?類的電源轉(zhuǎn)換芯片才誕生了，幫助我們很好的解決了這個(gè)問題。差異簡(jiǎn)單綜述
| LDO（低壓差穩(wěn)壓器） | DCDC（直流電壓轉(zhuǎn)換器） | |
| 優(yōu)點(diǎn)： | 線性穩(wěn)壓器的成本低； 新型穩(wěn)壓器輸出電壓穩(wěn)定，紋波??； 穩(wěn)壓器靜態(tài)電流小； 輸出電路所用器件少。 | 效率高； 帶負(fù)載能力強(qiáng)； 可以升壓、降壓、升降壓； 瞬態(tài)反應(yīng)比較快。 |
| 缺點(diǎn) | 效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重； 只能用于降壓應(yīng)用； 輸入輸出電壓有限制； 負(fù)載不能過(guò)大，越大，功耗越低。 | 輸出電壓紋波大； 開關(guān)噪聲嚴(yán)重； 組成電路元件多； 占PCB面積大。 |
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技術(shù)參數(shù)
1、壓降：?產(chǎn)生額定輸出電壓時(shí)，減小輸入電壓，輸出電壓下降到額定輸出電壓98%時(shí)，輸入輸出壓差即為dropout電壓，我們希望這個(gè)電壓越低越好。2、負(fù)載調(diào)整率反映了輸入固定情況下，LDO輸出電壓受負(fù)載電流變化的影響，定義公式如下：?負(fù)載調(diào)整率和負(fù)載電流范圍有關(guān)，和LDO本身特性也有關(guān)，即為輸出端的微分電阻：設(shè)放大器低頻增益為A，調(diào)整管跨導(dǎo)為gm:得到：?根據(jù)負(fù)載電路表達(dá)式，可以看出，負(fù)載電流變大，gm變大，ro表小，微分電阻變小放大器低頻增益變大，微分電阻變大，提高了負(fù)載調(diào)整率。3、線性調(diào)整率反映了負(fù)載固定的情況下，輸入電壓對(duì)輸出電壓變化的影響，即
? ????主要的影響來(lái)自，輸入電壓變化，運(yùn)放輸出端電壓變化(B)，調(diào)整管電流變化，環(huán)路增益變化，導(dǎo)致輸出電壓變化。
????因此提高線性調(diào)整率的方法就是，提高放大器地頻增益4、瞬態(tài)特性LDO的瞬態(tài)響應(yīng)包括兩個(gè)方面：一是大信號(hào)響應(yīng)速度，二是小信號(hào)響應(yīng)速度，當(dāng)輸出端電流發(fā)生大幅度跳變，電路首先發(fā)生的是大信號(hào)響應(yīng)，輸出端電壓大幅度變化，運(yùn)放發(fā)生轉(zhuǎn)換，功率管柵極電壓緩慢變化，直到電平接近靜態(tài)數(shù)值，電路表現(xiàn)為小信號(hào)響應(yīng)，最終輸出電壓穩(wěn)定到一個(gè)固定值。以下圖為例，當(dāng)負(fù)載電流突然變大，輸出電壓在t1時(shí)間段有個(gè)Vdip的壓降，經(jīng)過(guò)t2的時(shí)間，由大信號(hào)響應(yīng)轉(zhuǎn)換到小信號(hào)響應(yīng)，最后t2末端恢復(fù)穩(wěn)定，兩種電流下輸出電壓有Vdiff的差異，是由于LDO有限的負(fù)載調(diào)整率導(dǎo)致的。
對(duì)于驅(qū)動(dòng)數(shù)字電路的LDO，瞬態(tài)特性是個(gè)很重要的指標(biāo)，因?yàn)殡娫措妷河袀€(gè)噪聲容限，超出門限會(huì)導(dǎo)致邏輯電平判斷錯(cuò)誤。LDO的瞬態(tài)特性可以從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化量，一個(gè)是輸出電壓恢復(fù)到額定值所需要的時(shí)間。對(duì)于外接大電容的LDO，由于電容存儲(chǔ)大量電荷，充放電電流可以滿足負(fù)載電流的突變，對(duì)比capless LDO，這是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，有一些瞬態(tài)增強(qiáng)電路，這里不做解釋。5、噪聲噪聲分為兩類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲是不可避免的，每個(gè)電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。LDO 由理想的源供電，這意味著它不受外界影響，因此在輸入端沒有外部噪聲 (雖然 LDO 在輸出端確實(shí)有內(nèi)部噪聲)。外部噪聲是由外界影響(輸入處的紋波——實(shí)際源) 產(chǎn)生的各種噪聲。輸入波紋與電源抑制比 (PSRR) 有關(guān)。6、電源抑制比電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio):把電源的輸入與輸出看作獨(dú)立的信號(hào)源，輸入與輸出的紋波比值即是PSRR，通常用對(duì)數(shù)形式表示，單位是dB。PSRR=20log{[ripple(in)/ripple(out)]}對(duì)于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器,要求開關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí),對(duì)輸出的電壓影響極小.通常把滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比.
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綜合考量
1. 輸入電壓和輸出電壓范圍。如果輸入輸出電壓差值很大，此時(shí)就應(yīng)該選擇DCDC，效率高損耗低；如果選擇LDO器件，隨著輸入輸出壓差的增加，器件的效率一直下降，由此帶來(lái)的問題就是高發(fā)熱量；2. 看預(yù)算。相同輸入輸出電壓的LDO可選擇時(shí)，確認(rèn)研發(fā)以及生產(chǎn)的成本，成本如果可行的話，用便宜的，顯然LDO是不錯(cuò)的選擇；首先單芯片的價(jià)格，DCDC貴，外加濾波電容、儲(chǔ)能電感、續(xù)流二極管，這些東西可是不便宜的。
3. 空間。PCB是項(xiàng)目最終需要拿出來(lái)的實(shí)物，所有的直插式、表貼式元件都是安裝在PCB板上的，如果空間足夠，看其他要求，有空間問題，LDO占用空間小于DCDC。
4. 看負(fù)載規(guī)格。像CPU、GPU、內(nèi)核電壓這種，需要很大的工作電流，此時(shí)LDO已經(jīng)不滿足條件了，因?yàn)榍懊嬲f(shuō)了，負(fù)載越大，損耗越多，這是兩者的工作原理決定的。
5. 看負(fù)載要求。對(duì)于LDO來(lái)說(shuō)，紋波小，穩(wěn)定；對(duì)于DCDC來(lái)講，紋波大；所以想WiFi、藍(lán)牙、GPS等工作需要很小的紋波時(shí)，DCDC就派不上用處了，因?yàn)殡娫床▌?dòng)太大，超過(guò)IO口電壓容忍值，會(huì)導(dǎo)致后級(jí)負(fù)載對(duì)高低電平的判斷失誤。
6. 看輸出電壓規(guī)格。如果在一個(gè)應(yīng)用中，需要輸出多路電源，電源值高于VCC和低于VCC，此時(shí)就需要DCDC了，應(yīng)為DCDC可以利用電感升壓，利用電感降壓，可以同時(shí)滿足需求。
7. 看應(yīng)用環(huán)境。電子電路工作的環(huán)境不一致，會(huì)導(dǎo)致芯片的表現(xiàn)差異巨大，壽命也會(huì)大大縮短，比如濕度、溫度等，而產(chǎn)品種類不一致，器件廠商不一致，則產(chǎn)品的使用環(huán)境是不一致的，這個(gè)需要看需求看電源手冊(cè)決定。8. 看功率系數(shù)。輸入電壓、輸出電壓、最大用電電流決定了耗散在本體上的功率，而不同的封裝尺寸和PCB環(huán)境，散熱能力會(huì)有上限，如果本體上承載的功率超過(guò)了上限，那么就會(huì)燒毀。比如輸入3.3V，輸出1.2V，電流1A，那么耗散在LDO本體上的功率就有2.1W，那么就要查看這顆LDO的熱功率，在產(chǎn)品最高環(huán)境溫度下，散熱功率要足夠安全。
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