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LDO与三端稳压器详解

根据内部电路结构,线性稳压器主要分为以下几类: NPN、LDO、准LDO、PMOS、NMOS

以下是上述稳压器的电路原理: (1)NPN架构: 在这里插入图片描述 (2)LDO架构: 在这里插入图片描述 (3)准LDO架构: 在这里插入图片描述 (4)PMOS架构: 在这里插入图片描述 (5)NMOS架构: 在这里插入图片描述

接下来以LDO以线性稳压器为例: 在这里插入图片描述 如上图所示,LDO管 由串联调整VT ,取样电阻 R3 和 R4 、比较放大器 A 组成。

取样电压加在比较器上A 同相输入端与反相输入端的基准电压 Vref相比之下,两者的差值被放大器 A 放大后,控制串联调节管的压降,稳定输出电压。输出电压 Vout 降低时,基准电压与取样电压的差值增加,放大器输出的驱动电流增加,管道压降降降低串联调整,使输出电压高。相反,如果输出电压 Vout 超过所需的设定值,比较放大器输出的前驱动电流降低,从而降低输出电压。在供电过程中,输出电压连续校正,调整时间仅限于比较放大器和输出晶体管回路的响应速度。

在这里插入图片描述 可调 LDO 一般输出电压计算公式: Vout=Vref(1 R2/R1) Iadj*R2* ;

Iadj 值很小,当 R2 值小时,IadjR2 值可以忽略不计。但如果 R2 值大,那 IadjR2 值不容忽视。一般稳压器如 117系列 Iadj 典型值为 50uA如果 R2 取值为 2K 当电压误差达到 0时.1V 了。

一般 LDO 的 Vref 值为 1.25V,有些会有所不同。ANACHIP 有一款AP133,其 Vref=0.8V, 1~1~1.25V 之间的电压是普通 LDO做不到。

η=Pout/Pin=(IoutVout)/(IinVin)=(Iout*V out)/((Iout Ignd)*Vin) 因为 Ignd 和 Iout 可以忽略不计,所以上面的风格可以近似:

                            **η≈Vout/Vin**

可见 LDO 的效率类似于输出电压比上的输入电压。因此, LDO 时,必须注意输出电压和输入电压之间的压差。输入电压越小,效率越高。特别是在大电流通路中,压差过大,不仅效率过低,而且热量过大,影响电路的稳定性。

近似计算公式:

由于结温的升高会缩短芯片的使用寿命,因此必须尽可能降低芯片的结温,最好控制在 80~100℃内部;如果做不到这一点,至少要标称产品规格书中最大工作温度的 80%以下。

:封装为 SOT-223的 1117芯片,结到环境的热阻为 117℃/W(无散热器及通风措施) ,最大工作温度为 150℃。假设在40℃ 在室温环境下,IC 上的最大热损失约为: (150℃×0.8-40℃) / 117 ℃/W=0.68W

以上是无任何外部散热条件下的计算值。印刷板上的铜箔在实际应用中会起到散热器的作用,因此实际消散功率略大于上述计算值。

在这里插入图片描述 知道了热损耗 PD 和热阻θJA之后,我们可以计算温升的近似值,但由于印刷板、 周围设备、 空气流动等因素,该值通常与实际温度不同。因此,设计电路的温升是否能满足要求应以实际测量的温度值为准。

Vdrop 是输入输出压差度下输入输出压差的最小值。相应的 将在一般产品规格中提供Vdrop-Iout 曲线。

因此实现 3.3V 转 2.5V 或 2.5V 转 1.8V 输入输出压差小时,必须注意使用 LDO 的 Vdrop 参数能否满足上述要求。

最小工作电压是指确保稳压器内部 IC 电路正常工作,输入电压需要满足的最小值。因此, Vin 除了满足 V in -V out >V drop 外,还要满足 V in >V 最小工作 。

静态电流是指输入电源提供的稳压器工作电流,也称为接地电流。静态电流可以理解为提供稳压器 IC 正常运行的电流不直接携带,所以静态电流纯粹是损失,越小越好。

。由于线性稳压器是一种反馈系统,通常是多极系统,因此相位裕度可能低于稳定状态的容量值,导致输出电路不稳定,甚至自我激励。

为了提高相位裕度,通常采用相位补偿技术。在系统中增加零点可以改善相位裕度。改进的效果取决于增加零点的频率位置。输出电路上并联的电容 ESR与电容器一起,可以在系统中增加零点,相应的零点频率约为 1/(2)πReC),其中 Re等效串联电阻,C 补偿电容值。当补偿电容选择不当时,零点对相位裕度的改善不够,整个回路可能不稳定。

在选择补偿电容时,我们需要着重关注的是电容的 ESR 参数。

一般来说,准 LDO 用电解电容输出补偿电容也能满足要求,但为了使 ESR电解容的容值应尽可能小于 47uF,推荐 47uF~100uF;输出小于或等于 5V 电路耐压值不小于 10V,推荐 10V~16V,大部分耐压值是为了使其 ESR 小一点PNP LDO对 ESR要求会更严格。(现在有很多稳压器,因此,外部补偿用电容 ESR 要求变得不那么严格)在选择电容器时,应参考芯片规格中输出电容器的要求说明和建议参数值。

PSRR(Power Supply Rejection Ratio),,单位为分贝,基本计算公式为: PSRR=20log[Ripple (Vin)/Ripple (Vout)]

: 芯片设计时可以在 LDO 基准的输出端增加一路低通滤波器。因为内置滤波器会占用较大的芯片尺寸, 因此有些芯片在设计时会将低通滤波器设计在芯片外围电路上,将基准脚引出来(即 ),用于连接基准旁路电容。 增大旁路电容, 有利于减小输出噪声 ,提高 LDO 的 PSRR。但旁路电容会对 LDO 输出电压上升的速度产生影响,旁路电容值越大,输出电压上升速率越慢,在使用时要注意。建议使用陶瓷电容的典型值为 470 pF ~ 1uF 。

这个参数是为了保持输出稳压状态,导通管上需要流过的最小电流。如果负载未达到最小负载电流的要求, 则可能导致稳压器输出电压漂浮不定。

对导通管而言,调压电阻 R3 和R4 也是其负载。因此只要满足下面式子 LDO 就能保持电压稳定输出了:

当 ILoad =0 时,只要满足 I R3 ≥I MiniLoad 即可,因此固定输出的 LDO 在设计时,厂家可以通过调整 R3 和 R4的值来使 IC 内部即能满足最小负载电流的值, 使用者在设计时无需考虑这个参数。而对,R3 设计在外围电路,因此就需要我们使用者在设计时考虑这个参数。

一般 VREF 为 1.25V,如果 I MiniLoad 为 10mA,则 R3≤125 欧姆,可选为 120欧姆。根据输出电压的要求我们就可以计算出 R2 的值。

一般厂家除了提供最小负载电流的参数外,还会提供推荐的外围电路参数,方便我们设计时选择合适的电阻值。

应该严格参考Datasheet手册推荐布局,如下图所示为PCB上的LDO等效电路图:在这里插入图片描述 理想的 LDO 版图设计,应该使 1、2、3、4 这四个环路做到尽可能的小。其中环路1 和环路 2 最重要: 因为,对输出纹波影响很大; , 还会影响补偿电容的等效 ESR,因为补偿电容的实际等效 ESR=ESRc +R trace ,当补偿电容与整个LDO 的环路变大时, R trace 变大,补偿电容的实际等效 ESR 也随之变大,从而会使整个电路变得不稳定; ,也要重视。

标签: 管式电容器分类空气可调电容

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