負載調整率LDO應用中可能的盲區

傳統的DC-DC一般要求輸入輸出的壓差在2～3V以上，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，這樣的條件已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要。例如在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，GPRS模塊常用到的電壓是4V，經(jīng)常是通過(guò)5V轉換而來(lái)，輸入輸出的壓差需低至1V。針對這樣的情況，于是LDO(Low dropout regulator)應運而生。

相對DC-DC而言，LDO的優(yōu)點(diǎn)是噪音低，靜態(tài)電流小。很多DC-DC在外圍電路里還需要有電感和續流二極管，而LDO的典型電路非常簡(jiǎn)單，很多LDO只需在輸入端及輸出端各接一顆旁路電容就能夠穩定工作，對于節省PCB的布局空間也很有優(yōu)勢。Ricoh推出的很多LDO，還具有如負載短路保護、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護等其它的功能。

很多硬件工程師在LDO的應用中主要考慮輸入電壓范圍，輸出電壓和電流、壓差、紋波、功耗、靜態(tài)電流等，然而往往會(huì )忽略一個(gè)很重要的參數：負載調整率。本文就筆者在應用Ricoh的RP170N401B時(shí)由于忽視了負載調整率而來(lái)帶的問(wèn)題，并最終通過(guò)改進(jìn)設計得到解決的過(guò)程，分享自己的一些經(jīng)驗。

問(wèn)題描述

筆者的電路如圖1所示，系統12V轉為5V，5V轉換成3.3V和4V分別供MCU和通信模塊。由于通信模塊是定時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉的，使用中發(fā)現只要U12(RP170N401B)的使能腳為低電平，系統就能正常工作，在MOD_EN拉高時(shí)，整個(gè)系統則被復位。

圖1：筆者設計的最初版原理圖

問(wèn)題分析

筆者最初是懷疑4V后端的電路短路，導致5V電源被拉底，但由于6臺樣機均會(huì )發(fā)生這個(gè)問(wèn)題，4V短路的可能性被排除。實(shí)際上在電路中還有看門(mén)狗兼電源監控的設計，如圖2所示，問(wèn)題就發(fā)生在這里，其中的PW_EN腳直接控制5V轉3.3V的LDO芯片。

圖2：看門(mén)狗電路

筆者首先測量了系統各個(gè)電源在MOD_EN被拉高時(shí)的波形，得到波形如圖3所示。

圖3：系統各電源波形

波形分析：圖中從上至下依次為12V、5V、4V、3.3V波形，圖中3.3V被拉低了184ms，需要進(jìn)一步看一下5V和4V電源線(xiàn)上的尖峰細節。將以上波形進(jìn)行放大后，得到如圖4所示波形圖。

圖4：系統各電源波形放大

波形分析：圖中從上至下依次為12V、5V、4V、3.3V波形細節。圖中5V電壓被拉至2.3V，此電壓低于2.63V時(shí)706會(huì )輸出200mS復位信號。實(shí)測時(shí)間184mS，在測量的誤差范圍內，與706的電源監控復位時(shí)間相近，可繼續監測706的復位信號，得到如圖5、6所示波形。

圖5：看門(mén)狗706的復位信號

波形分析：圖中從上至下依次為12V、5V、4V、PW_EN波形細節。4V跳變的瞬間，RST輸出了低電平復位信號，將5V轉3.3V的LDO使能腳拉底。

圖6：復位波形細節

波形分析：在5V跌落后回升至3V前，看門(mén)狗706即輸出了低電平復位信號，且復位信號分兩段，在電源電壓2.65V前后出現拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前的跌落波形是隨5V電源電壓同步跌落;而拐點(diǎn)后的下降波形是看門(mén)狗芯片706監測到電源電壓低于2.63V輸出的復位信號。

圖7：RP170N401B手冊上的負載調整率

通過(guò)查看RP170N401B的器件手冊，發(fā)現其在負載突然變大時(shí)，輸出電壓由于不能及時(shí)調整而有瞬間的跌落。對應到系統中，在使能4V電源LDO使能端的瞬間，因LDO后端有負載，瞬間電流的沖擊，使得LDO輸入和輸出均有一定瞬間壓降，系統把12V拉低至9.6V，更嚴重的是在50us內把5V電平拉低至2.6V以下，4.7V拉低到2.6V以下，引起電源監控芯片706輸出復位信號，從而導致文頭所述系統重啟現象。

改進(jìn)方案

從圖7可見(jiàn)，當調整LDO輸出的電容值時(shí)，其電壓跌落也會(huì )變得平緩，同時(shí)采取了以下兩個(gè)辦法：

1)LDO輸出串聯(lián)電感，通過(guò)電感的飽和電流來(lái)抑制芯片啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)大電流。

2)調整LDO輸入輸出兩端的電容的拓撲結構，通過(guò)電容儲能來(lái)消除跌落。

圖8：改進(jìn)后的電路

LDO的負載變化率也是十分重要的參數，這往往也是設計中的一個(gè)盲區。最終筆者的電路如圖8所示，增加了電感L1，C77調整到1000uF，重啟的現象也成功解決。

經(jīng)驗總結

在LDO芯片的應用中，負載調整率也是一個(gè)很重要的參數，在新產(chǎn)品設計的選型之初就應當重視這個(gè)參數。對老產(chǎn)品已經(jīng)使用的芯片，當其負載調整率不能滿(mǎn)足實(shí)際使用的要求時(shí)，通過(guò)控制后端負載電路的瞬間功率、調整LDO級聯(lián)的拓撲結構等方法，可以使得電源設計滿(mǎn)足系統要求，從而使產(chǎn)品穩定可靠地運行。