低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)淺談

引言

便攜電子設備不管是由交流市電經(jīng)過(guò)整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過(guò)程中，電源電壓都將在很大范圍內變化。比如單體鋰離子電池充足電時(shí)的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，變化范圍很大。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負載變化的影響。為了保證供電電壓穩定不變，幾乎所有的電子設備都采用穩壓器供電。小型精密電子設備還要求電源非常干凈（無(wú)紋波、無(wú)噪聲），以免影響電子設備正常工作。為了滿(mǎn)足精密電子設備的要求，應在電源的輸入端加入線(xiàn)性穩壓器，以保證電源電壓恒定和實(shí)現有源噪聲濾波[1]。

一．LDO的基本原理

低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)的基本電路如圖1-1所示，該電路由串聯(lián)調整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

圖1-1 低壓差線(xiàn)性穩壓器基本電路

取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時(shí)，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動(dòng)電流增加，串聯(lián)調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過(guò)所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過(guò)程中，輸出電壓校正連續進(jìn)行，調整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。

應當說(shuō)明，實(shí)際的線(xiàn)性穩壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護等，而且串聯(lián)調整管也可以采用MOSFET。

二．低壓差線(xiàn)性穩壓器的主要參數

1．輸出電壓(Output Voltage)

輸出電壓是低壓差線(xiàn)性穩壓器最重要的參數，也是電子設備設計者選用穩壓器時(shí)首先應考慮的參數。低壓差線(xiàn)性穩壓器有固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類(lèi)型。固定輸出電壓穩壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經(jīng)過(guò)廠(chǎng)家精密調整的，所以穩壓器精度很高。但是其設定的輸出電壓數值均為常用電壓值，不可能滿(mǎn)足所有的應用要求，但是外接元件數值的變化將影響穩定精度。

2．最大輸出電流(Maximum Output Current)

用電設備的功率不同，要求穩壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩壓器組成的供電系統中，應根據各部分所需的電流值選擇適當的穩壓器。

3．輸入輸出電壓差(Dropout Voltage)

輸入輸出電壓差是低壓差線(xiàn)性穩壓器最重要的參數。在保證輸出電壓穩定的條件下，該電壓壓差越低，線(xiàn)性穩壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線(xiàn)性穩壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩定在5.0V。

4．接地電流(Ground Pin Current)

接地電路IGND是指串聯(lián)調整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱(chēng)為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調整管元件時(shí)，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩壓器的接地電流很小。

5．負載調整率(Load Regulation)

負載調整率可以通過(guò)圖2-1和式2-1來(lái)定義，LDO的負載調整率越小，說(shuō)明LDO抑制負載干擾的能力越強。

圖2-1 Output VoltageOutput Current

(2-1)

式中：

△Vload—負載調整率

Imax—LDO最大輸出電流

Vt—輸出電流為Imax時(shí)，LDO的輸出電壓

Vo—輸出電流為0.1mA時(shí)，LDO的輸出電壓

△V—負載電流分別為0.1mA和Imax時(shí)的輸出電壓之差

6．線(xiàn)性調整率(Line Regulation)

線(xiàn)性調整率可以通過(guò)圖2-2和式2-2來(lái)定義，LDO的線(xiàn)性調整率越小，輸入電壓變化對輸出電壓影響越小，LDO的性能越好。

圖2-2 Output VoltageInput Voltage

(2-2)

式中：

△Vline—LDO線(xiàn)性調整率

Vo—LDO名義輸出電壓

Vmax—LDO最大輸入電壓

△V—LDO輸入Vo到Vmax'輸出電壓最大值和最小值之差

7．電源抑制比(PSSR)

LDO的輸入源往往許多干擾信號存在。PSRR反映了LDO對于這些干擾信號的抑制能力。

三．LDO的典型應用

低壓差線(xiàn)性穩壓器的典型應用如圖3-1所示。圖3-1(a)所示電路是一種最常見(jiàn)的AC/DC電源，交流電源電壓經(jīng)變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟妷?。在該電路中，低壓差線(xiàn)性穩壓器的作用是：在交流電源電壓或負載變化時(shí)穩定輸出電壓，抑制紋波電壓，消除電源產(chǎn)生的交流噪聲。

各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內變化。為了保證蓄電池組輸出恒定電壓，通常都應當在電池組輸出端接入低壓差線(xiàn)性穩壓器，如圖3-1(b)所示。低壓差線(xiàn)性穩壓器的功率較低，因此可以延長(cháng)蓄電池的使用壽命。同時(shí)，由于低壓差線(xiàn)性穩壓器的輸出電壓與輸入電壓接近，因此在蓄電池接近放電完畢時(shí)，仍可保證輸出電壓穩定。

眾所周知，開(kāi)關(guān)性穩壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。在開(kāi)關(guān)性穩壓器輸出端接入低壓差線(xiàn)性穩壓器，如圖2-3(c)所示，就可以實(shí)現有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩壓精度，同時(shí)電源系統的效率也不會(huì )明顯降低。

在某些應用中，比如無(wú)線(xiàn)電通信設備通常只有一足電池供電，但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只穩壓器供電。為了節省共電池的電量，通常設備不工作時(shí)，都希望低壓差線(xiàn)性穩壓器工作于睡眠狀態(tài)。為此，要求線(xiàn)性穩壓器具有使能控制端。有單組蓄電池供電的多路輸出且具有通斷控制功能的供電系統如圖3-1(d)所示。

圖3-1 低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)典型應用

四．國內LDO發(fā)展概況

中國集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)良好的產(chǎn)業(yè)基礎，并已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)加速發(fā)展的新階段[2]。借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，充分利用國內優(yōu)惠政策，是當前國內各個(gè)IC公司發(fā)展的立足點(diǎn)。

作為被廣泛應用于手機、DVD、數碼相機以及Mp3等多種消費類(lèi)電子產(chǎn)品中的穩壓芯片，LDO已引起人們的高度重視。國內早期從事LDO生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO，足以滿(mǎn)足當前市場(chǎng)上主流電壓、電流的需要；它的SG2004、SG2011以及SG2012系列產(chǎn)品，非常適合于大電流負載應用；而它的SGM2007/2006/2005系列RF LDO更適用于手機電源的應用。盡管是國產(chǎn)芯片，但這些芯片的性能絲毫不遜色于國外同類(lèi)產(chǎn)品，而價(jià)格更適合于當前國內市場(chǎng)。

由此看來(lái)，國內與國外IC發(fā)展的差距將不會(huì )越來(lái)越大，每個(gè)國人都可以相信，中國不僅可以成為IC產(chǎn)業(yè)的新興地區，更能成為世界IC強國。

參考文獻

1．王國華，王鴻麟，羊彥等.便攜電子設備電源管理技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社.2004,1