LDO穩壓器高精度電壓基準源的分析/設計
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LDO線(xiàn)性穩壓器綜述
LDO(LowDropout)線(xiàn)性穩壓器，也稱(chēng)低壓差線(xiàn)性穩壓器或低漏失線(xiàn)性穩壓器。
LDO線(xiàn)性穩壓器與開(kāi)關(guān)式穩壓器的比較
LDO線(xiàn)性穩壓器，比傳統的線(xiàn)性穩壓器有更高的電源轉換效率，而比開(kāi)關(guān)式穩壓器有更簡(jiǎn)單的結構、更低的成本和更低的噪聲特性，因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來(lái)越受歡迎。LDO線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)式穩壓器作為當今便攜式電子產(chǎn)品中最常用的兩類(lèi)電源管理電路，它們的特點(diǎn)比較如表1所示。
從表中可看出，LDO線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)式穩壓器各有優(yōu)缺點(diǎn)，在應用時(shí)需權衡考慮各種特點(diǎn)。
LDO線(xiàn)性穩壓器應用效率
在便攜式電子設備中，電源效率越高意味著(zhù)電池使用時(shí)間越長(cháng)，這是用戶(hù)渴望的事情。
因此，輸入輸出壓差越低、靜態(tài)電流(輸入電流和輸出電流之差)越低線(xiàn)性穩壓器的工作效率就越高。在實(shí)際應用中，我們分析效率時(shí)還必須清楚:電池不是理想電源，它具有輸出電阻，供電時(shí)，它的電壓是逐漸下降的。電池的這種特性是非常有利于LDO線(xiàn)性穩壓器工作效率的。LDO線(xiàn)性穩壓器工作效率隨著(zhù)電池電壓的下降而逐漸升高。另外，在小負載電流時(shí)，穩壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半，則穩壓器的效率將減少一半，因此當設備處于“待機”狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)電流決定了電池的使用壽命。因此設計低壓差、低靜態(tài)電流的線(xiàn)性穩壓器已成為便攜式設備電源管理課題的一大技術(shù)解決方案。
雙極型超LDO線(xiàn)性穩壓器的設計要求
本設計完成的是一款小功率超LDO(超低漏失電壓)線(xiàn)性穩壓器，最大工作電流能達到100mA，輸出電壓3.3V。
引腳設計要求
為了滿(mǎn)足便攜式設備小體積的要求，芯片可采用SOT-23封裝，電路中需設置5個(gè)引出腳，管腳功能如表2。
SOT-23封裝外形示意如圖1，這種封裝的面積小于3×3mm2。
圖1SOT-23封裝外形
應用要求
本設計的應用要求是要占盡量小的PCB板空間，可外接元件很少，只有輸入輸出電容，當使能功能閑置時(shí)，將該引腳接到輸入端。
極限參數設計要求
極限參數反應了穩壓器所能承受的最大的安全工作條件，該芯片的極限參數如表3所示。
注1:最大允許功耗是最大結溫TJ(max)，結與外界熱敏電阻θJA，以及外界溫度TA的函數，在任何外界溫度下的最大允許功耗用下式計算:
對于SOT-23封裝θJA的值為220℃/W，則這個(gè)芯片在常溫下的PM(忽略了器件正常工作下的靜態(tài)功耗)為
如果超出最大允許功耗將導致死溫，穩壓器進(jìn)入熱關(guān)斷。模塊電路設計和性能實(shí)現
實(shí)現超低漏失電壓和低靜態(tài)電流是本設計的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為了兼顧其它主要電特性，對每個(gè)模塊的設計都提出了很高的要求。本文著(zhù)重介紹其中基準源模塊的設計。
系統框圖和工作原理
作為雙極型LDO線(xiàn)性穩壓器，必須包含PNP調整管、電壓基準、誤差放大器、反饋采樣電阻以及啟動(dòng)和偏置電路。為了實(shí)現使能控制和過(guò)溫過(guò)流保護功能，還增加了使能電路和過(guò)溫過(guò)流保護電路，如圖2的系統框圖所示。
圖2XD4821的系統框圖
基本工作原理是：系統加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開(kāi)始啟動(dòng)，電流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著(zhù)輸入不斷上升。當輸出即將達到規定值時(shí)，由采樣電阻得到的反饋電壓也接近于基準電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值上;同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變。如果使能腳處于低電平，啟動(dòng)電路不工作，電流源偏置無(wú)法建立，電路處于關(guān)閉狀態(tài)。
高精度電壓基準模塊設計
基準模塊是線(xiàn)性穩壓器的一個(gè)核心部分，基準的大小直接決定了穩壓器輸出的大小，它是影響穩壓器精度的最主要因素。LDO線(xiàn)性穩壓器為了實(shí)現高精度和低壓輸出，所以采用高精度低溫度系數的帶隙(Bandgap)基準電壓源結構，這種結構已經(jīng)廣泛地應用于各種模擬或數?；旌霞呻娐分?，如穩壓器、充電保護器、 ADC、DAC、RF(射頻)電路等，工藝已很成熟。
實(shí)用的帶隙基準電壓電路
圖3 是一種實(shí)用的帶隙基準電壓電路。Ql和Q2的發(fā)射區面積比為1:N，Q3和Q4完全對稱(chēng)，構成鏡像電流源給Ql和Q2提供工作電流，因而IC3=IC4，ICl=IC2，IEl=IE2。則Rl上的壓降為
式中，VT=KT/q為熱電壓，J1、J2分別是Q1、Q2管的發(fā)射極電流密度，它們之間的比值為
由IE1=IE2得R2上的壓降為
基準電壓為
從上式中可得到基準電壓只與PN結的正向壓降、電阻的比值以及Ql和Q2的發(fā)射區面積比有關(guān)，因此在實(shí)際的工藝制作中將會(huì )有很高的精度。當基準建立之后，基準電壓與輸入電壓無(wú)關(guān);而且VBE具有負溫度系數，VT為正溫度系數，理論上，只要選取合適的R2/R1和R1(決定Q1發(fā)射極電流，從而影響 VBE1)的值就可以得到零溫度系數基準電壓。
完整電路的設計
完整的帶隙基準電路需要啟動(dòng)電路、偏置電路以及反饋回路，如圖4所示。Q6、R3作為基準的啟動(dòng)和偏置電路，并且和Q5構成基準的反饋電路，保證了電路的穩定性。
圖3實(shí)用的帶隙基準電壓電路
圖4完整的帶隙基準電壓電路
Q1、Q2、R1和R2組成的是一種帶隙比較器，其門(mén)限電壓為(式5)所求得的值，當輸入電壓較低時(shí)，基準電壓小于門(mén)限電壓，此時(shí)電流很小，兩晶體管的 VBE幾乎相等，而Q2比Q1面積大，故IC2大于IC1，帶隙比較器輸出(Q1集電極)為“高”，Q5截止;隨著(zhù)輸入電壓的增大，基準逐漸增大，IC1 電流呈指數規律上升，IC2受電阻R1限制線(xiàn)性上升，當這兩者電流達到相等時(shí)，帶隙比較器輸出“低”使Q5導通，吸收部分Io電流，使基準輸出穩定到門(mén)限值。因此Q5起反饋作用，而這整個(gè)電路就相當于電壓跟隨器。但是這種結構的特殊之處是通過(guò)改變偏置電流源而實(shí)現反饋功能的，反饋過(guò)程如下:
結束語(yǔ)
基準模塊是線(xiàn)性穩壓器的一個(gè)核心部分，基準的大小直接決定了穩壓器的輸出的大小，它是影響穩壓器精度的最主要因素。本文基于LDO線(xiàn)性穩壓器在電源管理類(lèi) IC家族中的重要地位，給出了實(shí)現超低漏失、低靜態(tài)電流的電壓基準模塊的設計，為便攜式設備的電源管理提供了可行的解決方案。 電機保護器相關(guān)文章:電機保護器原理
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