低壓差穩(wěn)壓器選擇

摘要：本文介紹低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的基本結(jié)構(gòu)和使用技巧以確保其穩(wěn)定工作。我們還討論ADI公司LDO系列產(chǎn)品的設(shè)計特點，這些特點可提供一種保持動態(tài)穩(wěn)定性和直流（DC）穩(wěn)定性的靈活方法。

關(guān)鍵詞：LDO；ADI；直流穩(wěn)定性；穩(wěn)壓器

　　穩(wěn)壓器用于提供一種不隨負載阻抗、輸入電壓、溫度和時間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓。低壓差穩(wěn)壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱。例如，如果鋰電池電壓從4.2 V（全充電）下降到2.7 V（幾乎全放電），而LDO可在負載端保持2.5 V恒定電壓。便攜式應(yīng)用的日益增加使得設(shè)計工程師考慮使用LDO保持所需的系統(tǒng)電壓，而與電池充電狀態(tài)無關(guān)。便攜式系統(tǒng)不是受益于LDO的唯一應(yīng)用，任何需要穩(wěn)定恒定電壓，同時使上流電源電壓最?。ɑ蛘吣芴幚砩狭麟娫创蠓炔▌樱┑脑O(shè)備都可以考慮使用LDO。典型實例包括使用數(shù)字和射頻（RF）負載的電路。

　　“線性”串聯(lián)穩(wěn)壓器（見圖1）通常包括一個基準電壓源、一個比例輸出電壓與基準電壓比較環(huán)節(jié)、一個反饋放大器和一個串聯(lián)調(diào)整管組成（雙極型晶體管或FET管）組成，用放大器控制穩(wěn)壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如，如果負載電流下降，會引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大，放大器的輸出上升，調(diào)整管兩端的電壓會增加，因此輸出電壓回到其原始值。

圖1  基本的增強型PMOS LDO

　　在圖1中，誤差放大器和PMOS晶體管構(gòu)成壓控電流源。輸出電壓VOUT按分壓比（R1，R2）成比例下降，并且將其與基準電壓（VREF）比較。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS晶體管。

　　穩(wěn)壓器的“壓差”是指輸出電壓與輸入電壓之間的壓差，如果此輸入電壓繼續(xù)減小那么該電路便不能穩(wěn)壓。通常認為當(dāng)輸出電壓下降到低于標稱值100 mV時是達到的目標。表征這LDO穩(wěn)壓器的關(guān)鍵指標取決于負載電流和調(diào)整管的PN結(jié)溫度。

　　壓差對穩(wěn)壓器分為三類：標準穩(wěn)壓器、準LDO和LDO 。

　　標準穩(wěn)壓器，通常使用NPN調(diào)整管，通常輸出管的壓降大約為2V。

　　準LDO穩(wěn)壓器，通常使用達林頓復(fù)合管結(jié)構(gòu)（見圖2）以便實現(xiàn)由一只NPN晶體管和一只PNP晶體管組成的調(diào)整管。這種復(fù)合管的壓降，VSAT (PNP)＋VBE (NPN) 通常大約為1V —比LDO高但比標準穩(wěn)壓器低。

圖2  準LDO電路

　　LDO穩(wěn)壓器通常根據(jù)壓差要求作最佳選擇，通常壓差在100 mV～200 mV 范圍。然而，LDO的缺點是其接地引腳的電流通常比準LDO或標準穩(wěn)壓器大。

　　標準穩(wěn)壓器比其它類型穩(wěn)壓器具有較大的壓差，較大的功耗和較低的效率。大多數(shù)情況下可使用LDO穩(wěn)壓器代替標準穩(wěn)壓器，但是應(yīng)該考慮到LDO穩(wěn)壓器的最大輸入電壓指標比標準穩(wěn)壓器低。此外，有些LDO需要精心挑選外部電容器以保持穩(wěn)定性。這三種類型穩(wěn)壓器在帶寬和動態(tài)穩(wěn)定性考慮因素方面也有些不同。

如何選擇最佳穩(wěn)壓器

　　為特定的應(yīng)用選擇合適的穩(wěn)壓器，需要考慮輸入電壓的類型和范圍（例如穩(wěn)壓器前面的DC/DC變換器或開關(guān)電源的輸出電壓）。其它重要考慮因素是：需要的輸出電壓、最大負載電流、最小壓差、靜態(tài)電流和功耗。通常，穩(wěn)壓器的附加功能可能很有用，例如待機引腳或指示穩(wěn)壓失效的錯誤標志。

　　為了選擇合適類型的LDO，需要考慮輸入電壓源。在電池供電應(yīng)用中，當(dāng)電池放電時，LDO必須維持所需的系統(tǒng)電壓。如果DC輸入電壓是由經(jīng)過整流的AC電源提供，那么壓差并不重要，因此標準穩(wěn)壓器可能是更好的選擇，因為其更價格較低并且可以提供較大的負載電流。但是如果需要較低功耗或較精密的輸出電壓，則LDO是合適的選擇。

　　當(dāng)然，穩(wěn)壓器應(yīng)該在最壞工作環(huán)境達到規(guī)定精度的條件下能夠為負載提供足夠大的電流。

LDO結(jié)構(gòu)

　　在圖1中，調(diào)整管是PMOS晶體管。然而，穩(wěn)壓器可能使用各種類型的調(diào)整管，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類型對LDO分類。不同結(jié)構(gòu)和特性的LDO具有不同的優(yōu)點和缺點。四種類型調(diào)整管示例如圖3所示，包括NPN雙極型晶體管、PNP雙極型晶體管、復(fù)合晶體管和PMOS晶體管。

圖3  調(diào)整管示例

　　對于給定的電源電壓，雙極型調(diào)整管可提供最大的輸出電流。PNP優(yōu)于NPN，因為PNP的基極可以與地連接，必要時使晶體管完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接，從而使最小壓降限制到一個VBE結(jié)壓降。因此，NPN管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1V的壓差。然而它們在需要寬帶寬和抗容性負載干擾時非常有用（因為它們具有低輸出阻抗ZOUT特性）。

　　PMOS和PNP晶體管可以快速達到飽和，從而能使調(diào)整管電壓損耗和功耗最小，從而允許用作低壓差、低功耗穩(wěn)壓器。PMOS調(diào)整管可以提供盡可能最低的電壓降，大約等于RDS(ON)×IL。它允許達到最低的靜態(tài)電流。PMOS調(diào)整管的主要缺點是MOS 晶體管通常用作外部器件—特別當(dāng)控制大電流時—從而使IC構(gòu)成一個控制器，而不能構(gòu)成一個自身完整的穩(wěn)壓器。

一個完整穩(wěn)壓器的總功耗是

PD = (VIN – VOUT) IL + VINIGND

　　上面關(guān)系式的第一部分是調(diào)整管的功耗；第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩(wěn)壓器的接地電流，特別是那些用飽和雙極型晶體管作調(diào)整管的穩(wěn)壓器，會在上電期間達到峰值。

確保LDO動態(tài)穩(wěn)定性

　　適合普通應(yīng)用的傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器設(shè)計存在穩(wěn)定性問題。這個問題是由于反饋電路的性能、多種可能的負載、環(huán)路中元件的變化和難于獲得具有一致性參數(shù)的精密補償。下面將討論這些考慮因素。LDO通常使用一個反饋環(huán)路在輸出端提供一個與負載無關(guān)的恒定電壓。因為對于任何高增益反饋環(huán)路來說，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點和零點的位置都決定其穩(wěn)定性。

　　基于NPN管的穩(wěn)壓器具有低阻抗射極負載輸出，傾向于對輸出容性負載很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的穩(wěn)壓器具有較大的輸出阻抗（在基于PNP管的穩(wěn)壓器中具有高阻抗集電極負載）。此外，環(huán)路增益和相位特性強烈依賴負載阻抗，因此對于穩(wěn)定性問題需要特別考慮。

　　基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的傳遞函數(shù)具有幾個影響穩(wěn)定性的極點：

　　·主極點（圖4中的P0）由誤差放大器決定；它是由放大器的gm通過內(nèi)部補償電容CCOMP一起控制和確定的。主極點對上述所有LDO結(jié)構(gòu)都是共同的。

　　·第二極點（P1）由輸出電抗（指輸出電容和負載電容以及負載阻抗）決定。這使得應(yīng)用問題更難處理，因為這些電抗會影響環(huán)路的增益和帶寬。

　　·第三極點（P2）由調(diào)整管附近的寄生電容決定。在相同條件下，PNP功率晶體管的單位增益頻率（fT）比NPN晶體管的fT低很多。

圖4  LDO的幅頻響應(yīng)。

　　如圖4所示，每個極點產(chǎn)生每10倍頻程20dB的增益下降并且伴隨90 °的相移。因為這里所討論的LDO有多個極點，所以如果單位增益頻率處的相移達到－180 °，線性穩(wěn)壓器會變得不穩(wěn)定。圖4還示出了容性負載對穩(wěn)壓器的影響，其等效串聯(lián)電阻（ESR）會在傳遞函數(shù)中增加一個零點（ZESR）。該零點有助于補償其中一個極點，并且如果該極點出現(xiàn)在單位增益頻率以下時有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點的相移低于－180 °。

　　ESR對于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的，特別對于使用縱向PNP調(diào)整管的LDO。然而，由于電容器的寄生特性，所以ESR不總是好控制。電路可能需要ESR集中在某個窗口范圍內(nèi)以確保LDO工作在對于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域（見圖5）。

圖5  穩(wěn)定性隨輸出電流IOUT和負載電容的ESR變化。

　　雖然原則上選擇具有合適ESR的合適電容器（要求頻率響應(yīng)曲線在穿過0 dB之前下降得足夠快，并且在達到相關(guān)極點P2之前向低于0 dB增益方向減小得足夠滿）非常困難。實際考慮還會增加更多的困難：ESR隨著產(chǎn)品型號變化；大批量生產(chǎn)使用的最小電容值需要進行基準測試，包括最小環(huán)境溫度和最大負載的極端條件。電容器類型的選擇也很重要。最合適的電容器是鉭電解電容器，盡管具有大容量的鉭電解電容器尺寸很大。鋁電解電容器的尺寸很小，但其ESR在低溫時會變差，并且在－30 °C以下無法正常工作。多層陶瓷電容類型無法為普通的LDO提供足夠的電容，但是它們這種穩(wěn)定的低電容適合于新型LDO。