關(guān)于低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的PSRR和在USB電路中的應(yīng)用

引言

便攜產(chǎn)品電源設(shè)計需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)由電池供電的設(shè)備時，諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，則會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計和功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。

例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器，一般都設(shè)有幾個不同的工作狀態(tài)，通過一系列不同的節(jié)能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對電池容量的消耗。即當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時，處理器就會進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）是不錯的選擇。

圖1 LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)

LDO的基本原理

LDO是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它通常具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比PSRR（ Power Supply Rejection Ratio ）。

LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路等，基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：

Vout=（R1+R2）/R2 * Vref

實際的低壓差線性穩(wěn)壓器還具有如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護(hù)等其它的功能。

電源抑制比（PSRR）

電源抑制比是反應(yīng)LDO輸出對輸入紋波抑制能力的一個交流參數(shù)，一般輸出和輸入的頻率是一樣的，PSRR的值越大說明LDO的紋波能力越強(qiáng)，也就是說輸入對輸出的影響很小。和噪聲（Noise）不同，噪聲一般為在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)一定輸入電壓下其輸出噪聲電壓的均方值（RMS），PSRR的單位是dB，公式如下。

PSRR=20 log（△vin/△vout）

圖2 為SGM2007在CBP = 0.1F， ILOAD = 50mA，COUT = 1F f = 10KHz，的輸出和輸入的電壓曲線。

圖2 SGM2007輸出和輸入的電壓曲線

由公式PSRR=20 log（△vin/△vout）=60（dB），當(dāng)輸入變化了1V的時候，輸出才變化了1mV.可見紋波抑制能力還是很強(qiáng)的。

圣邦微電子的SGM2007高性能低壓差線性穩(wěn)壓器LDO在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲為30 V（RMS），在 1 kHz 的頻率下電源抑制比（PSRR）高達(dá)73dB，它能夠為諸如射頻（RF）接收器和發(fā)送器、壓控振蕩器（VCO）和音頻放大器等對噪聲敏感的模擬電路的供電提供低噪聲、高電源抑制比（PSRR）和快速瞬態(tài)響應(yīng)，使能電路兼容TTL電平，適合數(shù)字于電路供電。SGM2007的輸入電壓在2.5V至5.5V之間，適合藍(lán)牙數(shù)碼相機(jī)和個人數(shù)字助理（PDA），以及諸如無線和高端音頻產(chǎn)品等單個鋰電池供電或固定3.3V和5V的系統(tǒng)。

提高PSRR的方法

BP 端加旁路電容

為降低基準(zhǔn)噪聲，提高LDO的PSRR，需要在LDO基準(zhǔn)的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在線性穩(wěn)壓器內(nèi)部或由外部電路實現(xiàn)。內(nèi)置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加芯片的設(shè)計和生產(chǎn)成本，有些低噪聲LDO芯片只是提供一個基準(zhǔn)的引腳BP（Bypass），用于連接基準(zhǔn)旁路電容。

增大旁路電容，有利于減小輸出噪聲，提高LDO的PSRR。建議使用陶瓷電容的典型值為 470 pF 到 0.01 F 。也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO 輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時這點要注意。如圖3為旁路電容對SGM2007 PSRR影響，可見增大旁路電容會在一定頻率上提高PSRR的值。

圖3 旁路電容對SGM2007 PSRR的影響

增大LDO的輸出電容

LDO需要增加外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比（PSRR）、噪聲以及瞬態(tài)性能。 陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級 采用陶瓷電容時，建議使用X5R 和X7R電介質(zhì)材料，這是因為它們具有較好的溫度穩(wěn)定性。

如圖4為輸出電容對SGM2007 PSRR的影響。大電容器一般在一定頻率范圍內(nèi)會提高電源抑制比（PSRR）減小LDO的負(fù)載電流。

圖4 輸出電容對SGM2007 PSRR的影響

負(fù)載電流也會在一定程度上影響LDO的PSRR。如圖為負(fù)載電流對SGM2007 PSRR影響，由圖5可見隨著負(fù)載電流的增大，PSRR也會有一定程度的減小。為了減小負(fù)載電流對LDO的PSRR影響，要盡量選擇輸出電流大的LDO。

圖5 隨著負(fù)載電流的增大，PSRR也會有一定程度的減小

大多數(shù)蜂窩電話基帶芯片組需要三組電源：內(nèi)部數(shù)字電路、模擬電路和外設(shè)接口電路?；鶐幚砥鳎˙B）的數(shù)字電路供電電壓的典型值為1.8V至2.6V，一般情況下，Li+電池電壓降至3.2V-3.3V時電話將被關(guān)閉，對于為基帶處理器供電的LDO來說至少有500至600mV的壓差，因此對壓差要求不高。另外，數(shù)字電路本身對LDO的輸出噪聲和PSRR的要求也不高，而是要求LDO在輕載條件下具有極低的靜態(tài)電流。

基帶處理器內(nèi)部模擬電路供電電壓典型值是2.4V至3.0V，壓差在200mV至600mV。要求LDO具有較高的低頻（GSM電話為217Hz）紋波抑制能力，消除由RF功率放大器產(chǎn)生的電池電壓紋波。

RF電路分為接收和發(fā)送兩部分，供電電壓典型值為2.6V至3.0V，其中低噪聲放大器（LNA）、混頻器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和中頻（IF）電路需要低噪聲、高PSRR的LDO。

在USB電路中的應(yīng)用

LDO廣泛應(yīng)用于諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等便攜設(shè)備中，當(dāng)為便攜設(shè)備的USB供電設(shè)計時，一般都是用到3.3伏的LDO如圖6。很多便攜設(shè)備在連接USB接口時，都要判斷是為便攜設(shè)備充電，還是連接USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一般的設(shè)計方法是在LDO的Vout通過一個10K上拉電阻接到USB的D+.由另一部分電路判斷當(dāng)前的狀態(tài)是充電（Charge）還是連接USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（Data）。如果LDO的Vout倒罐電流很大，也就是說，LDO的輸出阻抗很小，那么LDO的Vout就會被強(qiáng)制拉低，那么便攜設(shè)備就會判斷不出是充電（Charge）還是連接USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（Data）。

圖6 3.3伏的LDO

工程師在為便攜設(shè)備USB供電選擇時LDO要特別注意LDO Vout倒罐電流對電路的影響。有些LDO的Vout倒罐電流很大約為10mA，有些很小約為幾十uA.如圖7為圣邦微電子的SGM2007 在Vin=5V， En=0V， Vout外加電壓和流入Vout電流的曲線。由曲線可見流入Vout的電流很小，在外加電壓為5.5伏時，流入的電流才40uA。

圖7 SGM2007 Vout外加電壓和流入Vout電流曲線

結(jié)語

新型音頻電路，如免提電話、游戲機(jī)、MP3及蜂窩電話中的多媒體電路，可能需要300mA-500mA的大電流LDO，LDO要在音頻范圍（20Hz至20kHz）應(yīng)具有低噪聲、高PSRR特性，以保證良好的音質(zhì)。在為射頻電路選擇LDO時要慎重比較噪聲指標(biāo)，和電源抑制比（PSRR），確保旁路電容、輸出電容和負(fù)載條件一致。

在為手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等便攜設(shè)備的USB接口供電選擇LDO時，一定要選擇輸出阻抗大，倒罐電流小的LDO。

編輯：jq