LDO线性稳压器的选择与应用

XJzy

LDO线性稳压器种类繁多，应用很普遍。随着工艺和技术的不断改进，新产品层出不穷。LDO应用电路的设计虽很简单，但要想稳定可靠的使用，还是会涉及很多问题。本文结合LDO的特点，介绍了与电路设计及选型相关的性能参数，特别针对LDO本身热损耗和稳定性问题进行深入分析，以期对此类电源的设计有更好的了解。术语介绍
LDO（Low Dropout Regulator）—低压差线性稳压器
VDO（Dropout Voltage）—电压差
θJA （Thermal Resistance, Junction to Ambient）
—芯片结到环境的热阻系数
IGND（Ground Pin Current）—地电流
PSRR（Power Supply Rejection Ratio）—电源纹波抑制比
电源方案及两种非隔离电源的比较
目前通信设备采用的板级电源方案通常是：第一级选用隔离电源，将-48V电源转换为某种总线电压，例如+5V或+12V；第二级选用非隔离电源将这种中间总线电压转换为单盘上各组芯片需要的工作电压。
非隔离电源目前有两种，一种是开关电源，另一种是LDO线性稳压器，二者的特点和应用场合有所不同。
开关电源的特点是：效率高、可以输出大电流，但这类电源输出的纹波和开关噪声较大、成本相对较高，一般用于压差大、负载电流大、对噪声指标要求不太高的场合。
LDO的特点是：体积小、结构简单、成本低廉，稳压性能好，输出纹波小，噪声指标好，但输出电流小、压差不能太大、效率不高，适用于各种小电流、低噪声、高纹波抑制的场合。
LDO为我们提供了灵活多样的后级电源解决方案。下面就结合LDO的特点和参数对其选型和应用加以说明。
LDO参数说明及选用建议
输出电流
LDO输出电流越大，其自身消耗的功率就越大，结点温度就越高，会导致高温保护或热击穿，所以通常只应用于小电流场合。建议负载电流不超过3A才考虑使用，3A以上建议采用非隔离开关电源。
选择与设计LDO电源时注意：
标称输出电流值只是该器件在室温状态及典型压差情况下的理想数值。在具体选型时，需考虑全温度范围应用情况，并结合相应的封装热阻值及LDO的实际输入输出电压差，计算出器件最大允许功耗及实际能够输出的电流，同时还要考虑留有裕量，所以大多数应用中实际输出电流远远达不到标称值（LDO的输出电流设计见后面的“LDO电源电路设计中的功率分配要求”）。
输入电压范围
在LDO选型与设计电路时注意，维持其输出所需要的实际输入电压VIN的最小值必须同时满足下列条件：
√ VIN≥VIN(MIN)
√ VIN≥VOUT(MAX)+VDROPOUT(MAX)
其中：
VIN(MIN) 为器件输入电压的最小值，具体见器件数据手册；
VOUT(MAX)为LDO实际输出的最大电压，通常取标称值 x（1+正输出精度﹪）；
VDROPOUT(MAX) 为器件在全温度范围下压差的最大值， 具体见器件数据手册。
输出电压范围及调整方式
可调LDO典型应用电路如下图1，电阻R1和R2构成设置输出电压所需的电阻分压网络，这样的配置下可调稳压器预期输出电压设定值 VOUT为：
VOUT ≈ VADJ ×(1+R1/R2) 公式1
（注：可调引脚泄漏电流很小，对计算公式的影响忽略不计）

图1 可调式LDO典型应用电路
其中：
VADJ为可调引脚参考电压；
R1、R2为可调引脚分压电阻，电阻精度取1﹪（F档），取值范围需查器件数据手册。
REN为使能管脚和输入之间的电阻，有时可直连到输入；
CIN、COUT为输入、输出电容，具体参数需查器件数据手册；
CBYP为可调引脚到地旁路电容，其可以有效降低基准噪声，但会影响输出电压上升速度。
封装与热阻
LDO的输入功率并非完全能从输出端口输出，两者之差都会转为热能耗散掉。不同封装散热能力是不一样的，散热能力越差，热阻越大，那么芯片就越不容易传递热量，这样芯片的结温就较高，而散热能力好的封装热阻就较小。
热阻的大小表示芯片散热的难易，是LDO电路设计中很重要的一项参数。常用的θJA是指从芯片的结到环境的热阻，单位是℃/W，即对应每1W芯片损耗功率，芯片本身升高的温度。
器件数据手册上所列热阻参数是指按数据手册推荐的安装条件安装后获得的指标，生产厂家不同、封装形式不同、散热焊盘的尺寸、PCB板参数及散热处理均会造成热阻系数的差异。即便封装相同但生产厂家不同，其设计、制造、工艺的不同也会造成热阻系数各不相同。
最大允许功耗PD(MAX)是最大环境温度TA(MAX) 、器件最大持续结温TJ(MAX) 和结点到空气间热阻θJA 的函数。入选LDO的工作结温范围通常为-40℃ ～ +125℃，超过最大允许功耗就会使器件结温超过最高结温，将会影响器件工作的可靠性，因此在LDO电源电路功耗设计时需要留有裕量。与以往开关电源裕量计算方法不同，此处裕量是通过在最大允许功耗计算公式中，取器件最大持续结温的90%降额来体现，这在通信行业应用中已是较保险的降额算法。
压差
LDO器件数据手册上所列典型压差值是室温情况下器件能启动工作时的最小输入输出电压差值。考虑到压差参数受全温度范围内最恶劣状态的影响，实际上输入输出电压差值至少要大于压差指标的最大值VDROPOUT(MAX)，不然器件指标不能保证，但同时输入输出电压差又不能过大，因为压差越大，器件功耗越大，会造成结温过高，LDO容易击穿损坏。
若实际输入电压与所需输出电压值很接近，或对VDO有特殊要求的电路设计可选用超低压差LDO（或带偏置的LDO）。
输出使能及使能电平
输出使能用于多组电源上电时序控制或节能省电模式，目前统一为正逻辑控制，即当使能电平高于LDO开启的最低电平值时输出正常，当使能电平低于关断的最高电平值时输出关闭。
若不想控制LDO的使能，输出常态为开启时，使能管脚有的允许直接与输入相连，有的需要在输入之间加一定值的电阻，具体情况以器件数据手册为准。
对最小负载电流的要求
根据制程工艺的不同，LDO有Bipolar、BiCMOS、CMOS几种类型，性能有所差异。LDO内部的调整管采用MOSFET场效应管或Bipolar双极型晶体管对负载的要求是不同的。凡是晶体管工艺均会对最小负载电流有要求，通常不小于10mA。
电路本身负载过轻时可通过在输出和地之间并联一个几百欧的电阻来解决；若按功能模块调试局部电路时出现负载过轻的情况则可暂时外接一个电阻用于调测，待到满足最小负载电流要求后再去掉此电阻，设计和使用时需引起注意。
其他相关参数
地电流：地电流是整个电路从电源吸取的电流，它反映了LDO内部电路消耗的功率。当输出负载增加时，使用晶体管作为传输元件的设计会呈现较大的地电流变化，而基于MOSFET的LDO地电流随负载增加而提升的程度很小。地电流IGND为LDO输出最大负载电流时的参数，晶体管型LDO在实际功耗计算时由地电流引起的功耗不能忽略不计。
电源纹波抑制比：PSRR是反映LDO输出对输入纹波抑制能力的交流参数，资料上通常提供PSRR 频率曲线图，单位是dB；
输出噪声：通常是指在一定的频率范围内器件自有输出噪声电压的均方值(RMS)；
输出精度：输出电压精度通常与电压调整率、负载调整率、基准精度、温度系数、取样电阻精度及负载变化等多种因素相关，是LDO各种变量产生的总体综合影响。设计时应考虑在环境温度最恶劣状态下相对标称输出电压变化的最大误差范围百分比值；
启动时间：各厂家LDO的启动时间存在差异，相对上电或使能信号通常有几十微妙到几十毫秒范围的延时；
保护功能：某些LDO提供输入欠压锁定、负载短路保护、限流保护、过压关断、过热关断、反接保护等功能，可在系统出现故障的情况下提供额外的保护。
对输入/输出电容的要求
输入电容CIN：通常输入电压源距离LDO会有一定距离，要求在LDO输入侧就近放置至少一个输入电容。
输出电容COUT：为了使输出电压稳定，应在尽可能靠近LDO输出侧的位置使用至少一个输出电容。输出电容是用来补偿LDO稳压器的，由于基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是由于输出电容的ESR（等效串联电阻）过高或过低造成的，所以选择时必须谨慎，设计时务必参考相关器件数据手册。可以采用更大的输出电容来提高动态性能、改善负载瞬态响应和电源纹波抑制比，最大推荐值见器件数据手册。
外围器件影响、PCB走线设计及器件散热焊盘的处理
在选择外围器件方面，要注意以下几点：
√ 输出电容的选择影响：LDO的稳定性、瞬态响应
性能以及输出噪声Vrms的大小；
√ 输入电容的选择影响： 瞬态响应性能、EMI和PSRR；
√ 滤波电容影响：输出纹波、PSRR和瞬态响应性能
及启动时间；
√ 线路设计要考虑抑制输入电压过冲；
√ 布线影响散热效果；
√ 根据系统要求选择合适的启动时间及软启动功能。
对于大电流的应用，必须考虑PCB走线对LDO实际输入电压的影响。PCB走线电阻会导致输入电压源和LDO之间的压降加大，走线压降可能会使器件输入电压下降，触发欠压锁定，使器件进入关断状态。
许多LDO在外封装底部都有一个裸露金属衬底用于散热，且外露衬底与LDO的地具有相同的电位（有例外），设计时需严格按照器件数据手册资料或相关资料设计其PCB库。
LDO电路的设计
为了保证器件结点温度不至于过高而进入保护，LDO的功耗必须限定在一定的范围之内。因此有必要计算最大允许功耗PD(MAX) 和实际功耗PLDO ，很显然PLDO 必须小于PD(MAX) ，具体设计可参考下述内容。
计算LDO最大允许功耗PD(MAX)
LDO工作时本身的耗散功率PD（也称LDO的允许功耗）几乎完全以热量的形式耗散，最大允许功耗PD(MAX)与最大环境温度、最大持续结温和结点到空气的热阻等参数相关，具体计算公式见下面的公式2：
PD(MAX) =(TJ(MAX)－TA(MAX))/θJA 公式2
其中：
PD(MAX)为器件最大允许功耗；
TA(MAX) 为最大环境温度，这里取 +70℃；
TJ(MAX) 为器件最大持续结温，按 +115℃取值；
（注：器件数据手册上TJ(MAX)通常为 +125℃，考虑到需要增加的富裕量，为方便计算，通常按其90%计算，为+115℃）
θJA为器件结点到环境的热阻，以器件数据手册为准。
可见，确定了LDO的规格及封装后，其最大允许功耗随之确定。这里需要注意的是，不同应用环境涉及的最大环境温度不同，器件最大持续结温的裕量选取不同都会导致计算结果不同，设计时要结合实际应用情况进行相应修正。
计算LDO实际功耗PLDO
LDO实际功耗计算公式见下面的公式3：
PLDO=(VIN(MAX)－VOUT(MIN))×IOUT(MAX) + (VIN(MAX) × IGND(MAX)) 公式3
其中：
PLDO为最恶劣情况下的实际功耗；
VIN(MAX)为LDO实际输入的最大电压，通常取标称值x（1+5%）；
VOUT(MIN)为LDO实际输出的最小电压，通常取标称值x（1-负输出精度﹪）；
IOUT(MAX)为实际输出的最大（负载）电流；
IGND(MAX)为LDO输出最大负载电流时的地电流。
（注：某些晶体管工艺的LDO输出最大负载电流时的地电流通常较大，其带来的功耗在计算时不可忽略不计）
LDO电源电路设计中的功率分配要求
上面公式2和公式3在LDO电路设计的功率计算中很重要，LDO的功率分配要求是：
实际功耗PLDO < 最大允许功耗PD(MAX)
在设计LDO电源电路时，一定要注意合理分配LDO实际功耗，不要超过其最大允许功耗，以免影响系统的稳定性。特别要注意输入输出电压差较大时，实际输出负载电流会急剧下降的情况。
对于我们常用的输入输出电压档位已定的应用场景来说，可以先按所需电流的大小和与之匹配的封装初选一款LDO，在确定了封装/ 热阻/ 压差后，再按照上述步骤计算出实际能支持的输出电流值，验证其是否满足设计要求；当输入输出电压差较大时，输出的负载电流就只能小些；若要输出较大负载电流时，或需变换封装，或需重新考虑整体电源方案中LDO输入电压的选取以使输入输出电压差更小些。
表1按照上面的说明和设定参数举例计算几种封装在3.3V转换至2.5V和1.8V时的实际输出电流，可见不同压差、不同封装或相同封装不同热阻情况下器件所能输出的最大电流存在很大差别（均以标称值计算，只是为说明问题的粗略计算）
表1. 器件输出最大电流举例说明表的典型应用


结果表明：实际应用中大多数情况下器件能提供的负载电流达不到标称值输出。
注1：说明该器件在目前这种封装/热阻/压差的组合下可以输出1.76A电流。那么在选择规格型号时，就应考虑选用3A器件而非1.5A器件。
注2：该1A器件只能输出1A以下的电流，若想要输出1.18A电流的话，已超出了该器件本身的驱动能力，应考虑选用能输出更大电流的器件。
LDO稳定性分析
LDO稳定性要素
影响LDO稳定性的主要因素有：误差放大器、调整管、反馈电阻网络、输出电容及其等效串联电阻（ESR）、输出负载、旁路电容等。其中输出电容的类型、容值和ESR参数对LDO电路的稳定工作至关重要。
所有稳压器都使用反馈回路（feedback loop）以保持输出电压的稳定。 反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变，通过在单位增益（unity gain，0db）频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。一个稳定的回一般需要20°以上的相位裕度。


不同类型LDO稳定性比较


结果分析：
1. 标准NPN稳压器即使没有输出电容也相当稳定。
2. PNP作导通管的LDO稳压器中回路是不稳定的。极点 PL和P1每个都会产生－90°的相移。在0db处相移达到了－180° 。为了减少负相移（阻止振荡），在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生＋90°的相移，它会抵消两个低频极点的部分影响。
因此，某些LDO确实需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容寄生的等效串联电阻（ESR）获得的。
LDO稳压器的补偿


结论：
1. 输出电容参与LDO内部参数补偿。
2. 选择合适ESR值的输出电容可以产生零点来稳定LDO环路系统。
输出电容的ESR与稳定性
不同类型的LDO对输出电容的要求各有不同。通常所有的LDO都会要求其输出电容的ESR值在某一特定范围内，以保证输出的稳定性。 LDO数据手册会提供一系列由输出电容ESR和负载电流（load current）组成的定义稳定范围的曲线（见典型LDO的ESR稳定范围曲线），或把对输出电容ESR的要求转化为对电容的类型和容值的要求，作为选择输出电容时的参考。
需要注意的是，过大或过小的ESR同样会造成对相位裕度及环路稳定性的影响。ESR过大会使回路的带宽增加，相位裕度降低； ESR过小会使零点移至系统带宽之外，无法起到补偿作用。


结论
本文涉及LDO应用电路的具体设计，针对通信行业应用提供了一些对LDO选型和安全可靠使用方面的说明和建议，了解这些将有助于对LDO电源进行正确选择与应用。