探討線性穩(wěn)壓器7項關鍵要點規(guī)格

這里所提的線性穩(wěn)壓器是IC（Integrated Circuit/集成電路），與其他的IC，例如運算放大器等，同樣有表示特性或性能的規(guī)格。規(guī)格的英語為Specification，有方法、標準、基準等含義。線性穩(wěn)壓器的技術規(guī)格即規(guī)格表，其中有表示輸出電壓值及其精度等。這些稱為參數。技術規(guī)格除了參數之外，還記載了最大額定值、工作保證條件、特性圖表等非常重要的信息。圖-9為基本技術規(guī)格、規(guī)格確認點及規(guī)格表例。

絕對最大額定值定義為連一瞬間都不可超過的值。其中雖然然有時會包含短路時間等時間概念的項目，不過基本上任何時間都不可超過，當然更沒有±5%的公差值。有時會出現：“超過的話會如何？”或“有多少余量？”等提問?；蛟S大家有興趣知道，不過考慮絕對最大額定值的定義后就了解這問題并沒有討論的空間，應該探討的是如何讓使用上的最大值不超過最大額定值，或是使用較充裕的最大額定值。

保證規(guī)格值的條件非常重要，例如確認施加電壓或溫度等。實際使用條件和規(guī)格要求條件未必一致。例如，如果條件為Ta=25℃，其保證值則終究為Ta=25℃下的值。然而，實際使用上并非Ta=25℃這樣的恒溫條件中。因此，查看規(guī)格值時務必確認是否為某一點值、某范圍，例如工作保證溫度的值，然后再確認實際使用條件及接近設計設備工作條件的值。附帶的特性圖表可有助于判斷。

最后，規(guī)格值會記載最小值（Min）、最大值（Max）、標準值（Typ）的任何一值或全部。其中，可以保證的只有最小值和最大值。標準值根據特性分布或統(tǒng)計手法，數值有“大概這么多”的含義。盡管基本上以規(guī)格值作為設計的基礎，然而到底該使用哪個值來設計才好呢？標準值的大概是什么意思？原則上來說是要以最差條件的值為基準。如何判斷就需要靠設計者的訣竅與經驗。

下面介紹線性穩(wěn)壓器中最起碼必須了解和探討的7項關鍵要點規(guī)格。當然，其他規(guī)格也不能忽視。除了線性穩(wěn)壓器外，充分閱讀技術規(guī)格對設計者來說也非常重要。

圖 9：技術規(guī)格、規(guī)格的確認要點

1） 輸入電壓范圍

2） 輸出電壓范圍

3） 輸出精度（VREF精度）

4） 輸出電流

5） 壓差電壓

6） 瞬態(tài)響應特性

7） 紋波抑制率

關鍵要點：

?絕對最大額定為必須嚴格遵守的重要項目。

?在設計上，所有工作溫度范圍內可保證的值是有效的。

?Typical值非保證值。

?充分閱讀技術規(guī)格（不要僅限于電源IC的）也非常重要。

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍必須確認2個值。最大額定值所顯示的范圍有“可輸入”之意，施加電壓的范圍，并非表示在此范圍內都會正常工作所以要默認不穩(wěn)定電壓的狀況，并確認是否在范圍內。

圖 10：輸入輸出的關系

區(qū)別于最大額定，還有工作輸入范圍或推薦輸入范圍項目，故以后兩者為目標。

圖10為輸入范圍、輸出范圍、以及壓差電壓的關系。有效輸入范圍為“輸出電壓＋壓差電壓到最大輸入電壓之間”。線性穩(wěn)壓器只能降壓，所以輸入電壓低于“輸出電壓＋壓差電壓”無法工作。至于輸入這種電壓以下會如何則視IC電路構造而定，但大多會呈現“輸入電壓－壓差電壓”左右的電壓。不過并不能保證是否穩(wěn)定工作。如果輸入電壓更低時，一般認為會突然降至0V。但在以電池驅動等應用，電路都會持續(xù)工作到電池耗盡，這類電池應用也會使用到低電壓領域。

關鍵要點：

?圖10的關系須充分了解后設定輸出輸入條件。

輸出電壓范圍

圖 11

輸出電壓范圍為可變型的專用規(guī)格，固定輸出型則沒有。輸出電壓范圍，是指在支持可變上輸出電壓可設定的電壓范圍。

輸出電壓范圍基本上其可變型可設定的最低電壓為VREF。VREF是1-1）項工作原理中已說明的誤差放大器所連接的比較用基準電壓。工作電路無法處理低于基準電壓（VREF）的電壓。

VREF是IC的一部分，所以基本上無法從外部變更。一般來說，CMOS系線性穩(wěn)壓器大概使用0.8V左右，而雙極是使用1.2V左右的VREF。這里必須注意的是，例如如果需要1V輸出功率時，則不得選擇1.2V的VREF。

圖 12

話題回到輸出電壓范圍，其最低電壓為VREFf，最大為最大輸入電壓（VIN MAX）－壓差電壓（圖10參考）。

輸出輸入條件可根據上述關系以計算求得，但有時會因功率損耗而受限制。進行不超過TjMAX的熱計算，有時會因VIN、VOUT、IOUT、Ta的的條件而需要權衡。

關鍵要點：

?通常無法將低于VREF的電壓設定為輸出。

?視設定條件而定，有時無法容許熱損耗，故必須通過熱計算來確認。

輸出精度（VREF精度）

圖 13

輸出精度為固定輸出型輸出電壓的容許誤差。以前的標準為±5%，最近則大多為±1%的高精度。

輸出精度與溫度及輸出電流密切相關，實際上的使用狀況并非只在25℃，故設計時須參考全溫度范圍規(guī)格。

可變型方面，VREF精度合適，將成為IC本身的精度。可變型的輸出電壓由于可用外置電阻來設定，因此，可變型的輸出精度須于VREF的精度摻入輸出設定電阻的誤差。

關鍵要點：

?可變型的輸出電壓精度受VREF精度及輸出設定電阻的誤差所影響。

?如果為通用電壓，則最好使用固定型。輸出精度更高，且不必外置2個電阻。

輸出電流

輸出電流的規(guī)格為保證可輸出最低限電流的項目，基本上想必大多規(guī)定最小值。視技術規(guī)格而定，有時以輸出電流界限（Output Current Limit）來表現。英語Limit的意義在此并非“限制”而是“界限”，如果可保證最小值，其意為“保證最小限度的電流值”，因此實際上為超過的電流。必須注意的是，有時會因誤認該值為限流值而破壞負載。此外，有些IC會規(guī)定最小值和最大值。此時最大值有電流被限制之意，為慎重起見，最好向廠商確認其限制值。

圖 14

那么，可以利用被保證的輸出電流嗎？答案是 “視條件而定”。在兼顧輸出輸入條件、周圍溫度條件的考慮下決定。這里再次陳述，對線性穩(wěn)壓器而言，永遠需要熱計算，而且是重要的管理項目之一。

類似規(guī)則中，有時會顯示短路電流。短路電流是輸出引腳接地故障，也就是與GND短路時所流動的最大電流。了解此電流的話將有助于在最惡劣條件下的應對決策。

幾乎所有線性穩(wěn)壓器都擁有輸出短路時的保護功能。熱關斷是代表性保護功能，檢測出芯片溫度后切斷輸出電流。線性穩(wěn)壓器的芯片通過此功能而不超過限制溫度（大多在150℃前后）以上，故幾乎在任何情況下都不會損壞。而在芯片的溫度下降時，會自動復原（例如過熱閉鎖（Latch-Off）等），如果無法去除負載障礙的話，有時又會開始流出電流，間斷流動可輸出變成負載電流，也有可能在未達負載前的狀態(tài)下不受保護。

關鍵要點：

?務必詳細確認技術規(guī)格的符合項目，并確認是否為最大值或最小值。

?規(guī)定輸出電流并非經?？梢垣@得。受輸入輸出條件和TjMAX所限制。

?務必確認過電流時或短路時的工作（最大電流、熱關斷、過熱閉鎖等）具體會如何。

壓差電壓

圖 10：輸入輸出的關系

壓差電壓是指線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作所必要的輸入電壓和輸出電壓的差。有時會以損耗電壓表現，當然由于為前述定義的電壓損耗，因此其意義不同于例如以12V輸入得到5V輸出時的電壓損耗為7V。壓差雖字義為釋放（Dropout），但當輸入電壓接近輸出電壓時便無法維持穩(wěn)定工作，輸出會開始與輸入成比例下降。此狀態(tài)以英語的Dropout來表現，而進入此狀態(tài)的電壓，也就是穩(wěn)定工作所需的輸入電壓和輸出電壓的差則稱為Dropout電壓（存在各種說法）。

先前用來表示輸出輸入電壓和壓差電壓間關系的圖10再顯示一次。如1-3）線性穩(wěn)壓器電路構造和特征一項所說明，壓差電壓視IC的電路構造而定。相較于標準型，LDO的壓差電壓較低。就單純關系而言，壓差電壓越低越能以接近輸出電壓的輸入電壓工作。這在輸入電壓會變動的電池驅動應用上成了重要的規(guī)格。反之，從12V制造5V的應用上，壓差電壓并不重要。另外，壓差電壓小的話，效率是否會變好？　這個問題稍后再做說明。

圖 16：壓差電壓和輸出電流

圖 17：壓差電壓

圖16和17表格為壓差電壓、輸出電流以及溫度的關系。一如所見，對于溫度或輸出電流可以說各有其適當變動的參數。如果以常溫規(guī)格勉強設計的話，有可能會因高溫而無法工作。除了壓差電壓外，特性圖表也提供了非常重要的信息。

圖 15

重點：

?必須充分理解圖10的關系。

?由于變動會因輸出電流和溫度而變大，因此切勿陷于最小輸入電壓時無法工作的條件中。

瞬態(tài)響應特性

瞬態(tài)響應特性如果輸出電壓通過負載電流的變動而變動時，線性穩(wěn)壓器將會回到所設定輸出電壓的電壓值。從輸出電壓的變動到還原的時間稱為瞬態(tài)響應特性。嚴格來說是負載瞬態(tài)響應特性。

穩(wěn)壓器的工作不就是穩(wěn)壓嗎？．．．或許有人會問。的確，穩(wěn)壓器會使工作穩(wěn)定，只是不僅是穩(wěn)壓器，任何東西在狀態(tài)變化后一直到對應都需要一定的時間。輸出的負載變動非?？焖贂r，線性穩(wěn)壓器將來不及進行反饋（穩(wěn)定化）電路反應，出現負載電流急劇増加時輸出電壓下降，急劇減少時上升的現象（參考圖19、20）。

圖 19：負載電流急増例。輸出電壓會隨著振鈴逐漸恢復后瞬間下降。

圖 20：負載電流急減例。輸出電壓瞬間上升

由此可見，在負載電流急劇變化的應用上，瞬態(tài)響應特性是很重要的特性。輸出電壓通過負載變動而大變動時，如果其恢復速度慢則或許會產生電路復位或數據錯誤等故障。為使這種故障減至最小限度，必須選擇瞬態(tài)響應特性良好的線性穩(wěn)壓器。之后會說明的開關穩(wěn)壓器雖然也同樣具有瞬態(tài)響應特性，不過線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應特性由于連續(xù)進行電路控制，故比較高速。

然而，瞬態(tài)響應特性幾乎所有情況都無法保證規(guī)格。因其受到輸出電容或配線電感值的影響，所以無法一概決定規(guī)定值。標準電路例的特性如圖表所示，此時可作為參考值。如上述，由于特性也會因PCB設計而異，故最后推薦以實機進行實測。

圖 18

關鍵要點：

?負載（輸出）電流急劇變動時，輸出電壓會變動，在恢復之前需要時間（響應時間）。

?響應時間因IC或輸出電容的特性而異（有可以改善的可能性）。

?變動太大時可能會超過電源監(jiān)視功能的閾值而復位。

紋波抑制率

圖 23

紋波抑制率是一種以輸出可以抑制多少輸入紋波電壓的規(guī)格，雖有PSRR或輸入電壓紋波抑制等稱號，然意義都相同。紋波抑制率大多以dB表示，例如如果為60dB，則表輸入的紋波可去除為1/1000。如果為100mV的紋波，則為0.1mV。

紋波抑制率如果輸入的紋波為大則很重要。最近多為開關式隱壓器，在規(guī)避噪聲的應用上也因效率等觀點而改為使用開關穩(wěn)壓器。不過，在無法妥協(xié)S/N的應用上，為了去除附帶開關穩(wěn)壓器輸出的開關噪聲（紋波），有時會利用線性穩(wěn)壓器的紋波抑制功能。雖然確實是有效的方法之一，不過必須詳細探討輸入的紋波頻率和紋波抑制率的頻率特性。一般來說，紋波抑制性能當頻率變高時會降低。因此，當紋波頻率高時，有時獲得的效果不太好。

圖 21

圖 22

圖21為極普遍的線性穩(wěn)壓器紋波抑制特性，相對于頻率，抑制率逐漸降低，由于80kH時約8dB左右，故只能去除到1/2.5。反之，開關穩(wěn)壓器的開關頻率則高達數百kHz到數mega，例如600kHz的開關穩(wěn)壓器的紋波如果有100mV時，則會殘留40mV的紋波。最近有針對頻率特性改良的線性穩(wěn)壓器問世，圖22例中，600kHz時的紋波抑制率有28dB，故可抑制到1/25，使紋波為4mV。

關鍵要點：

?原本的功能為降低整流-平滑后的紋波。

?連接于開關穩(wěn)壓器之后可降低開關紋波，要注意紋波頻率。