1、1,Introduction and Layout Principle of Linear Power Supply,Bob Jiang Nov. 2009,2,Introduction of Linear Power Supply,線性電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。一般來說，線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動電路等部分.,3,Fundamental Principle of Linear Power Supply,調(diào)整原理如下：直流輸出電壓由于輸入電壓升高或輸出負(fù)載電流減小而升高時，串接晶體管（設(shè)為

2、NPN型）基極電壓下降，其等效電阻阻值加大，使輸出電壓降低，從而保持采樣電壓等于參考電壓。這種負(fù)反饋控制在輸出電壓下降時也同樣起作用。此時誤差放大器輸出會使串接晶體管基極電壓上升，集電極電阻減小，直流輸出電壓升高，使采樣電壓等于參考電壓。實質(zhì)上，輸入電壓的任何變化都會被串聯(lián)晶體管等效電阻所調(diào)整，使輸出電壓保持不變，其恒定程度與反饋放大器的開環(huán)增益相關(guān)。晶體管始終工作在線性狀態(tài)，電路損耗為各元件直流損耗。 串接NPN型晶體管的線性調(diào)整器，若基極驅(qū)動由Vin經(jīng)Rb提供，則Vin與Vout之間必須存在最小壓差以保證向內(nèi)的基極驅(qū)動電流。,4,Introduction of Linear Power S

3、upply,線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。 線性電源的主要缺點(diǎn)是串接晶體管存在過大功耗，所有的負(fù)載電流都必須通過串接晶體管，其功耗為（Vin Vo) Io。大多數(shù)情況下，串接NPN型晶體管的最小壓差（Vin Vo) 為2.5V。在效率計算可近似為Vo/Vin*100%的情況下(忽略 LDO 靜態(tài)電流 )，電路效率太低！,5,Introduction of LDO,為解決壓差過大（功耗過大）而不適合用在低電壓轉(zhuǎn)換的問題，出現(xiàn)了L

4、DO（Low Dropout Linear Regulator ）. 低壓差線性穩(wěn)壓器也存在壓差，具有線性電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其轉(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如，如果一個LDO輸入電源是3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實存在這些缺點(diǎn)，但是當(dāng)電壓差較小時，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。 在LDO中，產(chǎn)生壓差的主要原因是在調(diào)整元件中有一個P溝道的MOS管。當(dāng)LDO工作時MOS管道通等效為一個電阻，Rds(on), Vdropout = Vin - Vout = Rds(

5、on) x Iout (式A),6,Introduction of LDO,LDO的結(jié)構(gòu)主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路等。 基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持

6、不變，即： Vout=（R1+R2）/R2 * ref V (式B),7,Main Parameters of LDO,1輸出電壓(Output Voltage) 輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計者選用穩(wěn)壓器時首先應(yīng)考慮的參數(shù)。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經(jīng)過廠家精密調(diào)整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設(shè)定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求，但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。 2最大輸出電流(Maximum Output Current) 用電設(shè)備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出

7、的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。,8,Main Parameters of LDO,3輸入輸出電壓差(Dropout Voltage) 輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0V 的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V 電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。 4接地電流(Ground Pin Current) 接地電路IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。在輕載電流時，系統(tǒng)效

8、率是Iq 對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響之一?；緛碚f，具有低Iq 的LDO 只在輕載時效率較高。這是因為負(fù)載電流增加時，Iq 只占Iin 總電流的很小一部分。具有較高Iq 的LDO 可以大大提高系統(tǒng)的線路和負(fù)載階躍響應(yīng)性能。由于Iq 被LDO 用來實現(xiàn)穩(wěn)壓工作，Iq 較高的LDO 對負(fù)載需求或線路電壓的突變可作出更快的響應(yīng)。,9,Main Parameters of LDO,5負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation) 負(fù)載調(diào)整率可以通過下圖和式C 來定義，LDO 的負(fù)載調(diào)整率越小，說明LDO 抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。 (式A) 式中 Vload負(fù)載調(diào)整率 ImaxLDO 最大輸出電流 Vt輸出電流

9、為Imax 時，LDO 的輸出電壓 Vo輸出電流為0.1mA 時，LDO 的輸出電壓 V負(fù)載電流分別為0.1mA 和Imax 時的輸出電壓之差,10,Main Parameters of LDO,6線性調(diào)整率(Line Regulation) 線性調(diào)整率可以通過下圖和式D 來定義，LDO 的線性調(diào)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。 式D 式中 VlineLDO 線性調(diào)整率 VoLDO 名義輸出電壓 VmaxLDO 最大輸入電壓 VLDO 輸入Vo 到Vmax 輸出電壓最大值和最小值之差,11,Main Parameters of LDO,7電源抑制比(Power S

10、upply Rejection Ratio. PSRR) 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。 PSRR=20 log（vin/vout） LDO輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計和外部旁路、補(bǔ)償電路的影響。導(dǎo)致LDO 輸出噪聲的主要來源是基準(zhǔn)。為降低基準(zhǔn)噪聲，用于連接基準(zhǔn)旁路電容。增大旁路電容能夠使基準(zhǔn)噪聲成為產(chǎn)生LDO 輸出噪聲的次要因素，有利于減小輸出噪聲。建議使用陶瓷電容的典型值為470 pF 到 0.01 F 。也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO 輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。 8. 基準(zhǔn)電

11、壓（Reference Voltage） 基準(zhǔn)模塊是線性穩(wěn)壓器的一個核心部分，基準(zhǔn)的大小直接決定了穩(wěn)壓器輸出的大小，它是影響穩(wěn)壓器精度的最主要因素。,12,Flows in Application,1、確定電路需要的電壓類型是正電壓還是負(fù)電壓。 2、確定電路的輸出電壓、負(fù)載電流和輸入電壓（注意輸入電壓和負(fù)載電流都需要降額80考慮） 3、確定電路的最大、最小輸入輸出電壓差；電路的最大、最小輸入輸出電壓差應(yīng)該滿足器件要求； 4、單板PCB、結(jié)構(gòu)尺寸和生產(chǎn)線對封裝形式的要求； 5、確定電路的電性能指標(biāo)要求（如靜態(tài)電流、精度、紋波、效率等）；器件的指標(biāo)應(yīng)該滿足電路指標(biāo)的要求，并且考慮溫度對各種性能指標(biāo)

12、的影響； 6、確定器件的輸出電容以及ESR值，如果器件對輸出電容以及ESR有特殊要求，考慮公司現(xiàn)有器件是否滿足要求； 7、其他要求（如電路是否需要使能控制端、價格因素等）。,13,Application of LDO,LDO的應(yīng)用電路十分方便簡單，工作時僅需要二個作輸入、輸出電壓退耦降噪的陶瓷電容器，見下圖。Vin和Vout的輸入和輸出濾波電容器，應(yīng)當(dāng)選用寬范圍的、低等效串聯(lián)電阻(ESR)、低價陶瓷電容器，使LDO在零到滿負(fù)荷的全部量程范圍內(nèi)穩(wěn)壓效果穩(wěn)定。一些LDO有一個Bypass附加腳，由它連接一個小的電容器，可以進(jìn)一步降低噪音（參考 7電源抑制比）。,14,Keypoint in App

13、lication -Capacitors,電容器的選擇關(guān)系到設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，電容器的電容值、電介質(zhì)材料類型、物理尺寸、等效串聯(lián)電阻(ESR)等這些重要參數(shù)都是設(shè)計工程師所要考慮的。在LDO使用電路的設(shè)計中，陶瓷電容器是最好的選擇，因為陶瓷電容器無極性和具有低的ESR，電容器的ESR對輸出紋波有重大影響，而ESR受電容器的類型、容量、電介質(zhì)材料和外殼尺寸影響，如常用的貼片電容器X7R 電介質(zhì)是最好的，但使用成本略高，X5R 電介質(zhì)較好，性能/價格比適宜，而Y5V電介質(zhì)較差，但成本較低。,15,Keypoint in Application -Capacitors,1、 輸入電容 輸入電容的

14、主要作用是對調(diào)整器的輸入進(jìn)行濾波，另外輸入電容也可以抵消輸入線較長時引入的寄生電感效應(yīng)，防止電路產(chǎn)生自激振蕩；所以調(diào)整器輸入端一般采用兩個電容并聯(lián)的設(shè)計。較大的電容提供濾波作用，一般取22uF左右；較小電容提供消除振蕩作用，取值一般為1uF，實際應(yīng)用中一般選用0.1uF，位置盡量靠近調(diào)整器的輸入Pin 輸入電容除了考慮容值外，紋波電流額定值也必須考慮，輸入電容的紋波電流應(yīng)小于器件手冊給出的額定值，電路的紋波電流可以用下面的公式簡單計算： IripplePIVpfC 其中： Iripple：輸入電容的紋波電流 Vp：紋波電壓的峰峰值 C：輸入電容值 f：為紋波電壓的頻率，一般取100KHz 再考

15、慮以上因素的時候還應(yīng)該注意溫度對電容特性的影響，如鉭電容其電容值以及紋波電流額定值都隨著溫度的升高而降低。 另外電容都需80的降額，鉭電容需要5060的降額。,16,Keypoint in Application -Capacitors,2、 輸出電容 電壓調(diào)整器的許多性能都受輸出電容的影響。其中電容值以及ESR對電路頻率響應(yīng)的影響是最主要的。由于隧道深度的存在，輸出電容以及ESR選擇不當(dāng)，非常容易引起電路的自激振蕩。因此電容的選擇建議參考器件手冊的隧道深度圖。 在選擇電容的時候還需要考慮溫度對容值以及ESR的影響，應(yīng)該保證在整個溫度范圍內(nèi)電路都是穩(wěn)定的。（主要是鋁電容的ESR受溫度影響比較大

16、，所以建議在溫度變化較大的應(yīng)用場合下最好不要選擇鋁電容作為輸出電容） 在使用可調(diào)LDO調(diào)整器時，有時候我們?yōu)檫_(dá)到較好的輸出紋波抑制性能，調(diào)整器需要對地增加濾波電容，但是必須注意的是：電路的輸出增加了這個電容，又會增加一個閉環(huán)極點(diǎn)（f1/2pi（R1/R2）C C為補(bǔ)償電容），電路的輸出電容必須相應(yīng)的增加，才能保證電路的穩(wěn)定。 另外一個容易忽視的問題：LDO帶有多個負(fù)載的時候，每個負(fù)載電路的輸入電容都是調(diào)整器的輸出電容。,17,Oscillation in LDO,1、任何一個電壓調(diào)整器可以簡單等效為誤差放大器、驅(qū)動電路（NPN、達(dá)林頓管等）、驅(qū)動電路輸出負(fù)載、負(fù)載幾個部分。系統(tǒng)的穩(wěn)定性由開環(huán)傳

17、遞函數(shù)決定。LDO一般采用PNP或者PMOS接成共發(fā)射極輸出，輸出阻抗很大，輸出電容、負(fù)載電阻將直接影響開環(huán)增益。在開環(huán)增益達(dá)到0dB以前，輸出電容產(chǎn)生的零點(diǎn)必須補(bǔ)償?shù)羝骷?nèi)部的一個極點(diǎn)，以獲得足夠的相位欲度，否則可能振蕩。這個零點(diǎn)就由輸出電容的容值和ESR決定。 2、正電壓標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整器（一般采用NMOS或者DMOS）采用射隨輸出，輸出電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很小，加上器件廠家內(nèi)部添加補(bǔ)償電容，自激振蕩一般不會出現(xiàn)。,18,Keypoint in Application-Power Consumption,低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來計算最惡劣情

18、況下的功耗： PD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:P= 最惡劣情況下的實際功耗，VINMAX = VIN 腳上的最大電壓，VOUTMIN = 穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ILMAX = 最大( 負(fù)載) 輸出電流。PD 最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(TAMAX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125C) 和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻（JA) 的函數(shù)。對于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23A封裝器件，其（JA)約為250C/Watt。 PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ JA VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2

19、.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125C，TAMAX = +55C 實際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗: PDMAX= 280mW. 在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的使用過程中一定要注意合理分配LDO實際功耗，不要超過他的最大功耗。以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,19,Keypoint in Application - Layout,LDO設(shè)計中，布局容易被忽視，其實布局是非常重要的。 1、 元器件放置 為了保證調(diào)整電路有足夠好的瞬態(tài)響應(yīng)特性，LDO調(diào)整器的帶寬都較高，這使得LDO容易發(fā)生振蕩，除外圍元件對LDO產(chǎn)生影響外，實際電路的寄生參數(shù)也會對電路的頻率響應(yīng)特性產(chǎn)生影