線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)-線性穩(wěn)壓器的重要規(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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)等含義。線性穩(wěn)壓器的技術(shù)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(shù)。技術(shù)規(guī)格除了參數(shù)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(shù)規(guī)格、規(guī)格確認(rèn)點(diǎn)及規(guī)格表例。

絕對(duì)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(shí)會(huì)包含短路時(shí)間等時(shí)間概念的項(xiàng)目，不過基本上任何時(shí)間都不可超過，當(dāng)然更沒有±5%的公差值。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)：“超過的話會(huì)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(duì)最大額定值的定義后就了解這問題并沒有討論的空間，應(yīng)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(rèn)施加電壓或溫度等。實(shí)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(shí)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(shí)務(wù)必確認(rèn)是否為某一點(diǎn)值、某范圍，例如工作保證溫度的值，然后再確認(rèn)實(shí)際使用條件及接近設(shè)計(jì)設(shè)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(huì)記載最小值（Min）、最大值（Max）、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)特性分布或統(tǒng)計(jì)手法，數(shù)值有“大概這么多”的含義。盡管基本上以規(guī)格值作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，然而到底該使用哪個(gè)值來設(shè)計(jì)才好呢？標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)。如何判斷就需要靠設(shè)計(jì)者的訣竅與經(jīng)驗(yàn)。

下面介紹線性穩(wěn)壓器中最起碼必須了解和探討的7項(xiàng)關(guān)鍵要點(diǎn)規(guī)格。當(dāng)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(shù)規(guī)格對(duì)設(shè)計(jì)者來說也非常重要。

圖 9:技術(shù)規(guī)格、規(guī)格的確認(rèn)要點(diǎn)

• 1) 輸入電壓范圍
• 2) 輸出電壓范圍
• 3) 輸出精度（V_REF精度）
• 4) 輸出電流
• 5) 壓差電壓
• 6) 瞬態(tài)響應(yīng)特性
• 7) 紋波抑制率

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍必須確認(rèn)2個(gè)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(nèi)都會(huì)正常工作所以要默認(rèn)不穩(wěn)定電壓的狀況，并確認(rèn)是否在范圍內(nèi)。

圖 10:輸入輸出的關(guān)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(xiàng)目，故以后兩者為目標(biāo)。

圖10為輸入范圍、輸出范圍、以及壓差電壓的關(guān)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(huì)如何則視IC電路構(gòu)造而定，但大多會(huì)呈現(xiàn)“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(shí)，一般認(rèn)為會(huì)突然降至0V。但在以電池驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用，電路都會(huì)持續(xù)工作到電池耗盡，這類電池應(yīng)用也會(huì)使用到低電壓領(lǐng)域。

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(shè)定的電壓范圍。

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

V_REF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V_REF。這里必須注意的是，例如如果需要1V輸出功率時(shí)，則不得選擇1.2V的V_REF。

圖 12

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

輸出輸入條件可根據(jù)上述關(guān)系以計(jì)算求得，但有時(shí)會(huì)因功率損耗而受限制。進(jìn)行不超過Tj_MAX的熱計(jì)算，有時(shí)會(huì)因V_IN、V_OUT、I_OUT、Ta的的條件而需要權(quán)衡。

輸出精度（V_REF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(biāo)準(zhǔn)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(guān)，實(shí)際上的使用狀況并非只在25℃，故設(shè)計(jì)時(shí)須參考全溫度范圍規(guī)格。

可變型方面，V_REF精度合適，將成為IC本身的精度?？勺冃偷妮敵鲭妷河捎诳捎猛庵?a target="_blank">電阻來設(shè)定，因此，可變型的輸出精度須于V_REF的精度摻入輸出設(shè)定電阻的誤差。

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(xiàng)目，基本上想必大多規(guī)定最小值。視技術(shù)規(guī)格而定，有時(shí)以輸出電流界限（Output Current Limit）來表現(xiàn)。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(shí)際上為超過的電流。必須注意的是，有時(shí)會(huì)因誤認(rèn)該值為限流值而破壞負(fù)載。此外，有些IC會(huì)規(guī)定最小值和最大值。此時(shí)最大值有電流被限制之意，為慎重起見，最好向廠商確認(rèn)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(duì)線性穩(wěn)壓器而言，永遠(yuǎn)需要熱計(jì)算，而且是重要的管理項(xiàng)目之一。

類似規(guī)則中，有時(shí)會(huì)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(shí)所流動(dòng)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(yīng)對(duì)決策。

幾乎所有線性穩(wěn)壓器都擁有輸出短路時(shí)的保護(hù)功能。熱關(guān)斷是代表性保護(hù)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(huì)損壞。而在芯片的溫度下降時(shí)，會(huì)自動(dòng)復(fù)原（例如過熱閉鎖（Latch-Off）等），如果無法去除負(fù)載障礙的話，有時(shí)又會(huì)開始流出電流，間斷流動(dòng)可輸出變成負(fù)載電流，也有可能在未達(dá)負(fù)載前的狀態(tài)下不受保護(hù)。

壓差電壓

圖 10:輸入輸出的關(guān)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(shí)會(huì)以損耗電壓表現(xiàn)，當(dāng)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(shí)的電壓損耗為7V。壓差雖字義為釋放（Dropout），但當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)便無法維持穩(wěn)定工作，輸出會(huì)開始與輸入成比例下降。此狀態(tài)以英語的Dropout來表現(xiàn)，而進(jìn)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(guān)系的圖10再顯示一次。如1-3）線性穩(wěn)壓器電路構(gòu)造和特征一項(xiàng)所說明，壓差電壓視IC的電路構(gòu)造而定。相較于標(biāo)準(zhǔn)型，LDO的壓差電壓較低。就單純關(guān)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(huì)變動(dòng)的電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上成了重要的規(guī)格。反之，從12V制造5V的應(yīng)用上，壓差電壓并不重要。另外，壓差電壓小的話，效率是否會(huì)變好？這個(gè)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(guān)系。一如所見，對(duì)于溫度或輸出電流可以說各有其適當(dāng)變動(dòng)的參數(shù)。如果以常溫規(guī)格勉強(qiáng)設(shè)計(jì)的話，有可能會(huì)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

瞬態(tài)響應(yīng)特性

瞬態(tài)響應(yīng)特性如果輸出電壓通過負(fù)載電流的變動(dòng)而變動(dòng)時(shí)，線性穩(wěn)壓器將會(huì)回到所設(shè)定輸出電壓的電壓值。從輸出電壓的變動(dòng)到還原的時(shí)間稱為瞬態(tài)響應(yīng)特性。嚴(yán)格來說是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性。

穩(wěn)壓器的工作不就是穩(wěn)壓嗎？．．．或許有人會(huì)問。的確，穩(wěn)壓器會(huì)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(duì)應(yīng)都需要一定的時(shí)間。輸出的負(fù)載變動(dòng)非常快速時(shí)，線性穩(wěn)壓器將來不及進(jìn)行反饋（穩(wěn)定化）電路反應(yīng)，出現(xiàn)負(fù)載電流急劇増加時(shí)輸出電壓下降，急劇減少時(shí)上升的現(xiàn)象（參考圖19、20）。

圖 19:負(fù)載電流急増例。輸出電壓會(huì)隨著振鈴逐漸恢復(fù)后瞬間下降。

圖 20:負(fù)載電流急減例。輸出電壓瞬間上升

由此可見，在負(fù)載電流急劇變化的應(yīng)用上，瞬態(tài)響應(yīng)特性是很重要的特性。輸出電壓通過負(fù)載變動(dòng)而大變動(dòng)時(shí)，如果其恢復(fù)速度慢則或許會(huì)產(chǎn)生電路復(fù)位或數(shù)據(jù)錯(cuò)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(yīng)特性良好的線性穩(wěn)壓器。之后會(huì)說明的開關(guān)穩(wěn)壓器雖然也同樣具有瞬態(tài)響應(yīng)特性，不過線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性由于連續(xù)進(jìn)行電路控制，故比較高速。

然而，瞬態(tài)響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)電路例的特性如圖表所示，此時(shí)可作為參考值。如上述，由于特性也會(huì)因PCB設(shè)計(jì)而異，故最后推薦以實(shí)機(jī)進(jìn)行實(shí)測。

圖 18

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(hào)，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(guān)式隱壓器，在規(guī)避噪聲的應(yīng)用上也因效率等觀點(diǎn)而改為使用開關(guān)穩(wěn)壓器。不過，在無法妥協(xié)S/N的應(yīng)用上，為了去除附帶開關(guān)穩(wěn)壓器輸出的開關(guān)噪聲（紋波），有時(shí)會(huì)利用線性穩(wěn)壓器的紋波抑制功能。雖然確實(shí)是有效的方法之一，不過必須詳細(xì)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(dāng)頻率變高時(shí)會(huì)降低。因此，當(dāng)紋波頻率高時(shí)，有時(shí)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(duì)于頻率，抑制率逐漸降低，由于80kH時(shí)約8dB左右，故只能去除到1/2.5。反之，開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率則高達(dá)數(shù)百kHz到數(shù)mega，例如600kHz的開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波如果有100mV時(shí)，則會(huì)殘留40mV的紋波。最近有針對(duì)頻率特性改良的線性穩(wěn)壓器問世，圖22例中，600kHz時(shí)的紋波抑制率有28dB，故可抑制到1/25，使紋波為4mV。

審核編輯：湯梓紅