低壓差線性穩(wěn)壓器LDO應(yīng)用教程

LDO 幾乎在每個現(xiàn)代電子設(shè)備中都能找到一席之地。其結(jié)果是適合最多樣化應(yīng)用的豐富設(shè)備。在本教程中，我們將回顧四類主要應(yīng)用：用于有線和無線通信的低噪聲、高PSRR LDO-t用于便攜式設(shè)備的低功耗、小尺寸LDO-t工業(yè)和汽車應(yīng)用的耐高壓-t用于數(shù)字內(nèi)核電源的高功率LDO。

介紹

在從電源（無論是交流線路還是電池）到電子負(fù)載的長電路徑中， 低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器經(jīng)常被要求覆蓋“最后一英里”。在這里，嘈雜的開關(guān)穩(wěn)壓器讓位于一邊，取而代之的是安靜的LDO來為關(guān)鍵的電子負(fù)載供電。

靈活的LDO（圖1）能夠適應(yīng)手頭的應(yīng)用。在低噪聲應(yīng)用中，它可以交易 關(guān)閉靜態(tài)電流，有利于噪聲。在必須承受高電壓的應(yīng)用中，它可以犧牲輸出電流，選擇輸入電壓。當(dāng)連接到電池時，它可以保護(hù)系統(tǒng)免受電池的影響 反轉(zhuǎn)（反向電壓保護(hù)）。當(dāng)與開關(guān)穩(wěn)壓器接口時，它可以保護(hù)系統(tǒng)免受輸入反向電流的影響。在高可靠性應(yīng)用中，LDO可以用引線框架代替晶圓級封裝 包。在本教程中，我們將回顧 LDO 應(yīng)用的四個主要類別：

用于有線和無線通信的低噪聲、高PSRR LDO

用于便攜式設(shè)備的低功耗、小尺寸LDO

適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用的耐高壓

用于數(shù)字內(nèi)核電源的大功率LDO

這四種應(yīng)用中的每一個都有其特定的挑戰(zhàn)，這轉(zhuǎn)化為LDO為每個應(yīng)用供電的獨特要求。在每種情況下，我們都將討論這些挑戰(zhàn)，并借助特定的LDO示例提供解決方案。

圖1.PMOS LDO框圖。

用于有線和無線通信的低噪聲、高PSRR LDO

在有線和無線通信系統(tǒng)中，LDO為敏感的模擬電路（PLL、VCO、RF）提供干凈的電源。低頻譜噪聲將最大限度地減少RF解調(diào)器中的線性度下降，并降低PLL和VCO電路中的相位噪聲。

輸出噪聲源

LDO基準(zhǔn)電壓源（V裁判在圖2中）是噪聲的主要來源，如果不進(jìn)行濾波。出于這個原因， 低噪聲LDO通常具有旁路濾波器選項（R拜爾比普， C拜爾比普） 用于噪聲抑制。閃爍或 1 超過 f 當(dāng)LDO中存在任何電流時，都會產(chǎn)生噪聲。這種低頻噪聲很難濾除，這也是噪聲頻譜密度曲線總是在低頻時達(dá)到峰值的原因（見圖3）。

圖2.帶旁路濾波器的低噪聲LDO。

濾除參考噪聲后，剩余的大部分高頻噪聲將是熱噪聲（V太） 由于電荷載流子的隨機熱運動，無論施加的電壓如何，并且將由 LDO 中的任何電阻元件產(chǎn)生：

其中 K 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開爾文為單位的溫度，B 是器件帶寬，R 是電阻值。例如，在環(huán)境溫度和帶寬為100kHz時，100kΩ電阻會產(chǎn)生13μV的熱噪聲有效值.因此，需要將LDO內(nèi)部噪聲的任何電阻貢獻(xiàn)降至最低。

LDO噪聲頻譜密度

在MAX38902 LDO穩(wěn)壓器中，旁路電容從BYP引腳連接到OUT，不僅濾除基準(zhǔn)的噪聲，還濾除反饋電阻和穩(wěn)壓器輸入級。這為改善瞬態(tài)響應(yīng)提供了高速反饋路徑。圖3所示為MAX38902的電壓噪聲頻譜密度（以V為單位）有效值/

或 RMS 電壓除以設(shè)備帶寬的平方根。該噪聲曲線會增加模擬負(fù)載自身的噪聲曲線，從而提高本底噪聲總水平，該水平必須保持在允許的噪聲掩模配置文件以下。品質(zhì)因數(shù)低至30nV/

），是許多低噪聲器件的絕佳選擇 應(yīng)用。

圖3.MAX38902A/B噪聲頻譜密度

LDO 有效值噪聲

ADC和DAC等數(shù)字負(fù)載將其有效分辨率定義為滿量程之比的函數(shù) 輸入電壓范圍和ADC RMS噪聲。在這種情況下，給出LDO的整數(shù)值更有用 給定帶寬上的噪聲系數(shù)。MAX38902具有12μV的積分噪聲系數(shù)有效值超過 10Hz 至 100kHz 帶寬，在100mA時，旁路引腳上有一個47nF濾波電容。比較之前的計算 熱噪聲，整個MAX38902 LDO的噪聲與單個100kΩ電阻幾乎相同！

高PSRR性能

LDO必須具有良好的電源抑制比（PSRR），以將其負(fù)載與其電源隔離，很可能是噪聲 開關(guān)穩(wěn)壓器。圖4顯示了100Hz至10MHz的PSRR曲線。

例如，假設(shè)LDO輸入是10mV開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出。峰紋波在200kHz。一個 50dB 的 PSRR 將增加 22μV有效值輸出噪聲（10mV/316 x v2）。品質(zhì)因數(shù)高 該系列的分貝為62dB，是模擬或數(shù)字噪聲敏感型應(yīng)用的絕佳選擇。

圖4.MAX38902A/B PSRR

啟動

上電時（圖 5），為電子負(fù)載供電的 LDO 輸出應(yīng)逐漸上升，以避免過度 電流從輸出電容單調(diào)吸收，以避免誤啟動。在MAX38902中，旁路 電容還決定啟動期間輸出電壓的壓擺率。一個 0.01μF 電容器設(shè)置壓擺 速率至 5V/ms。此啟動速率導(dǎo)致啟動時從輸入端汲取一個 50mA 的壓擺電流，以便為 10μF 充電 輸出電容。

圖5.MAX38902A/B啟動波形

反向電流保護(hù)

反向電流保護(hù)是現(xiàn)有LDO中很少見的新功能。在電池供電的設(shè)備中，負(fù)載 通常通過帶有 MOSFET 調(diào)整管的高效 CMOS LDO 進(jìn)行調(diào)節(jié)，該調(diào)整管帶有反向偏置 輸入和輸出之間的本征二極管（D1）（圖6）。

圖6.帶有PMOS調(diào)整管和本征二極管的LDO。

反向電流保護(hù)可防止LDO輸入端的降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生較大的反向電流 被關(guān)斷，使輸入短路至GND。大LDO輸出電容通過LDO通道的放電能量 晶體管的本征二極管會造成損壞?？沙惺艿头聪螂娏?。超過設(shè)定的閾值 （200mA），反向電流完全阻斷。

MAX38902反向電流保護(hù)

傳遞元件（圖 7 中的 T1）為低 R德森p溝道MOSFET晶體管。比較器檢測 LDO 輸入何時下降 低于 LDO 輸出 10mV 電壓，然后將 PMOS 主體和柵極切換至 LDO 輸出，防止反向電流傳導(dǎo)。

這一創(chuàng)新功能可保護(hù)負(fù)載和LDO免受意外輸入短路的影響，使系統(tǒng)更加故障 寬容。

圖7.MAX38902A/B/C/D反向電流保護(hù)

短路和熱過載保護(hù)

MAX38902A/MAX38902B/MAX38902C/MAX38902D通過限流和熱過載提供輸出短路保護(hù) 電路。如果輸出短路至GND，則輸出電流限制為700mA （典型值）。在這些條件下， 零件迅速升溫。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到165°C時，熱限流電路關(guān)斷輸出 裝置。當(dāng)結(jié)溫冷卻至150°C時，輸出重新導(dǎo)通以重新建立穩(wěn)壓。雖然故障 持續(xù)存在，當(dāng)結(jié)溫在 150°C 和 165°C 之間擺動時，輸出電流循環(huán)打開和關(guān)閉。

用于便攜式設(shè)備的低功耗、小尺寸LDO

便攜式設(shè)備需要小巧輕便，并且必須持續(xù)足夠長的充電時間和 在空閑或睡眠模式下甚至更長的時間。因此，為便攜式設(shè)備供電的LDO不僅必須很小 但能夠在運行時提供幾百毫安的電流，并在待機或關(guān)斷時消耗最小電流 模式。

低靜態(tài)電流

例如，MAX8880的靜態(tài)電流低于4μA，負(fù)載高達(dá)4μA 200mA（圖8）。一系列兩個鋰聚合物，40mAh電池是為小型便攜式設(shè)備供電的良好候選者。消耗4μA電流時，該器件（待機模式）的保質(zhì)期約為一年，然后電量耗盡！在停機模式下，該器件的電流消耗甚至更低，典型值為 1.5μA。

圖8.MAX8880電源電流

電池反接保護(hù)

電池反接保護(hù)允許輸入變?yōu)樨?fù)極，而不會從GND或OUT吸收大量電流。 這對于使用 9V 電池運行的應(yīng)用非常有用，因為電池連接器可以輕松臨時接觸極性相反的端子。

MAX8880具有獨特的保護(hù)方案，當(dāng)V電壓時，將反向電源電流限制在1mA以下在是 被迫地下。電路監(jiān)視IN的極性，斷開內(nèi)部電路和寄生 二極管（圖 9 中的開關(guān) 1、2 等）當(dāng)電池反轉(zhuǎn)時。此功能可保護(hù)設(shè)備免受 電池向后連接時的電氣應(yīng)力和損壞。

圖9.MAX8880電池反接保護(hù)

本電路實現(xiàn)電池反接保護(hù)（輸入低于地電位），但不實現(xiàn)反向電流保護(hù) （輸入低于輸出10mV）前面討論過。

晶圓級封裝

在消費電子和無線通信應(yīng)用中，尺寸是一個主要問題。微型4G基站體積小 足以放入背包，并且仍然非常強大。在這里，為RF部分供電的LDO必須很小，并且 功能強大，可提供數(shù)百毫安的功率。MAX38902 LDO系列的C和D版本采用晶圓級 用于提高小型化的包裝 （WLP） 技術(shù)。圖10顯示了500mA LDO穩(wěn)壓器在 WLP-6封裝占用的空間大約是TDFN-8占用空間的四分之一。WLP-6 解決方案非常適合 適用于需要最小 PCB 空間的應(yīng)用。

圖 10.MAX38902C/D WLP-6封裝優(yōu)勢

適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用的耐高壓LDO

汽車中的低密度控制器

LDO 是汽車環(huán)境的良好候選者。通過直流操作，LDO 不會產(chǎn)生 電磁干擾（EMI），防止污染汽車收音機AM頻率，這是一個經(jīng)常出現(xiàn)的問題 通過切換調(diào)節(jié)器。在汽車應(yīng)用中，LDO在接口時為MCU、CAN或I/O供電 直接到電池。LDO 必須承受電池電壓，在完全 充電的電池。采用啟動/停止技術(shù)的車輛在發(fā)動機啟動時會遇到較大的電壓驟降。 電源的下限遠(yuǎn)低于典型的12V，可以是6V或更低。如果出于任何原因 交流發(fā)電機在充電時與電池斷開連接，總線電壓經(jīng)歷電流“轉(zhuǎn)儲”， 導(dǎo)致嚴(yán)重的過壓（通常為60V）。

工廠中的低密度控制器

智能工廠越來越依賴小型且無處不在的傳感器來運行。傳感器通常由電源供電 通過隔離的 24V 直流電源。然而，工廠車間可能是一個非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，長期 電纜和強 EMI 導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器 必須承受42V或60V的電壓瞬變，這些電壓瞬變遠(yuǎn)高于傳感器的工作電壓。 根據(jù) SELV/FELV 法規(guī)，處理高達(dá) 60V 的隔離設(shè)備被認(rèn)為是安全的觸摸。 通過添加專用TVS設(shè)備，可以提供60V以上的保護(hù)。

工業(yè)和汽車應(yīng)用的特點是工作溫度范圍寬。這里是引線框架 封裝，更能耐受溫度引起的PCB表面機械應(yīng)力，往往是優(yōu)選的。 MAX6765 LDO工作在4V至72V輸入電壓，可提供高達(dá)100mA電流，符合AEQ-C100標(biāo)準(zhǔn)。 它是工業(yè)和汽車應(yīng)用的理想選擇。其耐熱性能增強型TDFN-6封裝如圖11所示。

圖 11.MAX6765 TDFN-6耐熱增強型封裝 （3mm x 3mm x 0.75mm）。

在具有12V輸入、5V輸出和+125°C環(huán)境溫度的汽車應(yīng)用中， （基于圖 12 中的 SOA），耐熱性能增強型 TDFN-6 封裝可以耗散 600mW，同時限制 負(fù)載電流達(dá) 86mA （600mW/7V）。

圖 12.MAX6765最大功耗與溫度的關(guān)系

在類似的應(yīng)用中，輸入為24V而不是12V時，負(fù)載電流將限制為31mA （600mW/19V）。

用于數(shù)字內(nèi)核電源的大功率LDO

MAX8556為大功率LDO，可為負(fù)載點（POL）、存儲器、存儲器提供高達(dá)13.6W （4A、3.4V）的峰值功率。 以及服務(wù)器和存儲主板應(yīng)用程序中的 CPU 負(fù)載。LDO的精度、壓差和總電壓 正常運行所需的裕量也會極大地影響應(yīng)用的電源效率。

LDO 直流精度

許多參數(shù)會影響LDO輸出電壓精度。例如，MAX8556 數(shù)據(jù)手冊規(guī)定LDO反饋（基準(zhǔn)電壓源）精度為500mV±1%（±5mV），裕量為200mV，裕量為200mV，裕量為200mV。 包括線路和負(fù)載調(diào)整率。如果使用增益 d = （R1 +R2）/R1 = 3 （圖 2） 的電阻分壓器 輸出，則1.5V輸出具有±5mV x 3 = ±15mV的基準(zhǔn)相關(guān)誤差。

如果電阻有誤差？，則電阻的精度相關(guān)誤差為：

電阻精度為 ？= ±1%，R1 = 5kΩ 和 R2 = 10kΩ，誤差為：

e% = ±100 × [（10/15） × 2 × 0.01]/0.99 = ±1.34%。

與 V外= 1.5V，誤差為±20mV。

在這種情況下，1.5V或±2.3%的總直流精度為±35mV。

LDO 總裕量

許多參數(shù)有助于LDO正常工作所需的輸入至輸出電壓。 我們已經(jīng)看到，直流精度±為35mV，MAX8556需要200mV裕量才能工作。 適當(dāng)?shù)亍＞€路和負(fù)載瞬變是導(dǎo)致滿足必要裕量問題的其他因素。A 2A 負(fù)載電流階躍（負(fù)載瞬態(tài)）引入 ±20mV 的輸出電壓誤差（圖 13）。

圖 13.MAX8556負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

0.7V 線路電壓階躍（線路瞬態(tài)）會引入 ±5mV 的輸出電壓誤差（圖 14）。

圖 14.MAX8556線路瞬態(tài)響應(yīng)

在這種情況下，最差情況下的總余量為：
Vh= 200mV + 35mV +20mV + 5mV = 260mV。

雖然功耗是LDO的致命弱點，但具有260mV輸入至輸出裕量的1.5V、100mA LDO將 產(chǎn)生可觀的85%效率（1.5V/1.76V），可與一些最好的開關(guān)穩(wěn)壓器相媲美。正確使用， LDO的品質(zhì)可以被利用，而不必遭受其缺點。

電源包

MAX8556 TQFN-16封裝（圖15）底部有一個裸露的散熱焊盤。該墊提供低散熱 用于將熱量傳遞到 PCB 的電阻路徑。這種低熱阻路徑承載了大部分熱量 遠(yuǎn)離 IC。PCB實際上是IC的散熱器。

圖 15.MAX8556 TQFN-16裸露焊盤電源封裝（3mm x 3mm x 0.75mm）。

芯片提供的連續(xù)功率取決于IC到PCB的安裝方法和銅區(qū)域 用于冷卻。使用JEDEC測試標(biāo)準(zhǔn)，封裝中允許的最大功耗為2667mW。這 數(shù)據(jù)是在+70°C環(huán)境溫度和+150°C最大結(jié)溫下獲得的。測試板有 尺寸為 7.62 厘米 x 7.62 厘米（3 英寸 x 3 英寸），四層 2 盎司銅和 FR-4 材料，62mil 飾面 厚度。

總結(jié)

圖16簡單表示了這四類LDO在電壓-電流方面的能力 空間。

圖 16.LDO V-I 應(yīng)用領(lǐng)域一覽。

結(jié)論

LDO 幾乎在每個現(xiàn)代電子設(shè)備中都有一席之地。結(jié)果是適合 最多樣化的應(yīng)用。在本教程中，我們回顧了四類主要的LDO應(yīng)用：

用于有線和無線通信的低噪聲、高PSRR LDO

用于便攜式設(shè)備的低功耗、小尺寸LDO

適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用的耐高壓

用于數(shù)字內(nèi)核電源的大功率LDO

我們討論了每種應(yīng)用的挑戰(zhàn)，并借助特定的LDO示例提供了解決方案。

審核編輯：郭婷