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线性稳压器LDO选择与使用技巧

在做电源实验时,经常能够听到:电源芯片怎么这么烫;电源芯片又又又烧了。发生这些问题的原因大多数情况是在设计原理图时,同学们经常直接照着典型应用电路设计,更甚者是网上搜一个别人的设计就用。不重视器件工作原理和性能特征,虽然表面上也能达到输出电压的要求,但是这里面存在很多设计隐患。


在一个设计项目中,我们设计最多的就是电源,给我们板子上不同的器件输出不同的电流电压。LDO(线性变换器)可以得到不同的直流电压输出,成本低、性能好,且使用起来也很简单,让LDO稳压芯片用的也越来越多,几乎每块开发板都有其身影。


在ADI产品中,涵盖各种各样的高性能低压降 LDO。这些 LDO 具有极低的压降、快速瞬态响应、出色的线路和负载调整等特性,并具有非常宽的输入电压范围(0.9 V 至 80 V),输出电流范围为 100 mA 至 10 A,具有正输出、负输出和多输出。在“ADI校园计划”微信回复:LDO,即可获取ADI LDO评估板相关设计资料。


LDO电源芯片虽然用起来比开关电源简单许多,但是在设计过程中我们要结合项目的使用场景,选择合适的LDO,否则也会出现开头说的电源芯片发烫或者烧了的情况。

 ☞ 在开始选择并设计LDO电路前,我们需要明白LDO的工作原理

典型的LDO电路工作基本原理


在LDO回路中的晶体管运行于线性区,就像放置了一个可调电阻在输入与输出之间,勉强承受两个节点之间的电压降。VIN12v进来,VCC输出,晶体管Q1做调节,反馈的电路电阻判断输出电压达到多少伏,再反过来控制晶体管的导通角度。通过调节晶体管Q1的线性工作点,能够让输出的电压稳定在某一个值。在1970年,推出的第一个芯片调压器是LM317。

 

因为LDO没有开关器件,完全靠晶体管的导通角度来控制输出,所以LDO的噪声是uv级别的。在ADI的LDO产品中,LT1761-5的噪声只有20uVrms,LT3045的噪声甚至只有0.8uVrms。所以在通讯设备中的射频部分、网络、音频、仪表放大器等应用场合,LDO非常适应。

LT1761-5 LDO输出电压噪声 

☞ LDO的效率为:ηLR=Vo/Vin,从上面的介绍的原理看,LDO的输入输出的电流是一样的,输入输出的电压是不同,电压差就完全靠Q1来承受。

LDO效率曲线

从上面的曲线图可以看出来随着压差的增大,效率就越低。假如LDO的输入是12v,输出是6v,工作效率就是50%。当然,如果有需要低压差的场景,比如5v输入,4.5v输出,这样效率就能达到90%。但这样的场景毕竟是少数,而且需要非常低压差的LDO实现。


我们大部分常见的电源转换电路,比如5v转3.3v,转2.5v。压差比较大是对LDO效率非常大的挑战。


在使用LDO的过程中,我们需要十分注意LDO效率与电流的问题。LDO效率低并不是非常可怕,怕是当电流比较大的时候,大部分的功率就损耗在晶体管Q1上,晶体管会产生热量,当晶体管温度达到一定高度时,就LDO无法保证正常工作了。



LDO非常重要的参数——LDO压降(VDO),是指输入与输出之间能够维持正常工作的最小压差。要维持内部的工作,晶体管的PN结是有压降,所以这个压降是一定会存在,而且是消除不了。

从上图,我们可以总结两点:LDO的输入必须比输出高,即VIN=VOUT+VDO;随着流过LDO的电流增大,维持LDO正常工作的压差也会随即增大。这也是在做LDO设计的时候不得不考虑的点。


普通的LDO,像我们经常使用的LM7805 需要至少 2V 的压降;低压差LDO, 通常<1V (~300mV 比较常见);极低压差器件VLDO, <100mV(LT3071 只有85mV压差 @ 5A输出)。


☞ 压差的存在,系统电流又是恒定的,LDO压降产生的功率全都集中在了晶体管上。温度超过额定温度之后,LDO就会停止工作。所以在设计过程中,另外一点就是LDO损耗功率和发热的问题。


LDO的最大功率损耗(PD)的定义是:

PD= [VIN(max)-VOUT]*Iout+ IQ*VIN(max)


上面的公式可以认定为损耗在晶体管上的功耗,红色部分是静态功耗,通常只占到损耗功率的1%以内,可以忽略不计,只需要考虑输入输出之间的压降带来的功率损耗。


LDO的结温(TJ)是:


T超过额定的温度后,芯片就会烧掉,所以我们要怎么控制这个温度。增加散热器是为了增加散热器到空间的散热效果,可以把热量尽快的散出去,确保内核温度T不会超过最大的规格书标定的可以正常运行的结温T


除了散热器之后,LDO芯片不同封装有不同的热阻,依照最大PD选择正确的封装形式。下图三种不同封装,有不同的内核热阻,结温的效果差异非常大:

 


☞ 为了系统更稳定,LDO在输入输出端经常可见滤波电容,输入电容CIN和输出电容Cout。对于输入电容选择不合适,就会在瞬态突变负载时进入跌落状态;而输出电容则影响稳定性和瞬态响应。如果Cout的类型和/或值没有选择恰当,一些LDO可能存在稳定性问题。一般来说,较大的Cout值会减少峰值偏移,改善瞬态响应。通常,用于暂态响应的最佳Cout是不同类型电容器并联组合。


在设计LDO电路的时候,大多数人会直接根据典型应用电路设计。但是以后要记得在设计电路前,查看芯片规格说上关于电容大小的说明:

 

☞ 在一些仪器仪表应用场合,既需要非常低的噪声,又希望获得更大的电流,这就不得不通过并联LDO的方式实现。


这里有个问题,传统的LDO输出电压是靠两个电阻的反馈去控制晶体管的工作线性。但是两个电阻都是有误差的,如果一个电阻正偏1%的误差,一个反偏1%的误差,输出的误差就会增加一倍为2%。


考虑到我们的要求是两个LDO并联需要更大电流的时候,如果一个LDO输出是3.3V,另外一个并联的LDO不是3.3V,这时候两个LDO的电流是不平衡的。同一个负载输入电压高的那一路,电流一定比较大,所以传统的LDO做并联是非常糟糕的,两个LDO会相继炸掉。


这时,就需要对LDO的内部工作结构进行创新,从由两个电阻控制晶体管工作,改变为反馈电压直接回来,这样设计使得LDO极大改善了电压调节能力和瞬态响应。

新的LDO用电流作为基准,直接通过反馈控制工作状态,不需要更复杂的反馈电阻,所以输出电压降到0也是可能的。只需要一个电阻设置基准点,就可以控制输出电压。输出电压直接到负反馈,电流是恒定的,通过调节电阻,就相当于设置基准电压,即使两个LDO并联,误差对电流的影响已经非常小了。LT3080是第一个推向市场的创新LDO产品。


最后,虽然LDO简单好用,但是LDO这些隐藏的“坑”直接影响你的设计结果。在设计前,多思考一步,就会少烧一颗芯片。

~END~

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