關(guān)于線性穩(wěn)壓器的5個(gè)重要細(xì)節(jié)

本文深入探討了線性穩(wěn)壓器選型與設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵考量，包括啟動(dòng)特性、靜態(tài)電流與壓差、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、噪音與電源抑制比(PSRR)，以及輸入保護(hù)等五個(gè)方面，旨在幫助工程師在面對(duì)復(fù)雜應(yīng)用時(shí)做出明智挑選，避免潛在的設(shè)計(jì)陷阱。

查找線性穩(wěn)壓器時(shí)，面對(duì)無(wú)限多的產(chǎn)品型號(hào)，利用參數(shù)搜索工具可以把挑選范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)，看起來(lái)非常簡(jiǎn)單。需要什么樣的輸出電壓?負(fù)載電流是多少?承受的輸入電壓范圍如何?穩(wěn)壓器需要工作在什么壓差下?最大輸入電壓是多少?封裝和外部元件尺寸?接下來(lái)是細(xì)節(jié)處理。如果負(fù)載對(duì)電源波動(dòng)非常敏感怎么辦?可能要求極低的輸出噪音和很高的PSRR。如果設(shè)計(jì)采用電池供電，則對(duì)靜態(tài)電流的要求也會(huì)非常嚴(yán)格。

現(xiàn)在，您已經(jīng)將范圍縮小到那些可以滿足具體應(yīng)用的器件。但這并沒(méi)結(jié)束。在最終決定之前，以下5個(gè)因素還需要考慮。

● 穩(wěn)壓器如何啟動(dòng)?

● 接近最小壓差時(shí)，靜態(tài)電流是否依然保持在非常低?

● 對(duì)于實(shí)際負(fù)載，而非數(shù)據(jù)手冊(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)，器件的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)如何?

● LDO輸出紋波是否主要取決于PSRR，或者主要由LDO輸出噪音決定?

● 器件關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)如何?

為什么這些問(wèn)題如此重要?實(shí)際應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器的有些表現(xiàn)可能使您感到很陌生，需要花費(fèi)額外的時(shí)間診斷電路板的故障，甚至需要重新設(shè)計(jì)。

本應(yīng)用筆記對(duì)LDO的上述要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。希望有助于您的線性穩(wěn)壓器選型和設(shè)計(jì)。

1. 啟動(dòng)

大多數(shù)穩(wěn)壓器都配備了使能輸入，用于控制穩(wěn)壓器的上電或關(guān)斷，以節(jié)省功耗。帶有使能輸入的穩(wěn)壓器通常也帶軟啟動(dòng)功能。軟啟動(dòng)可避免穩(wěn)壓器打開時(shí)造成輸入電源過(guò)載。軟啟動(dòng)通常采用以下兩種方式之一。

電流軟啟動(dòng)

第一種方法是電流軟啟動(dòng)。大多數(shù)穩(wěn)壓器具有電流限值;電流軟啟動(dòng)是緩升或步進(jìn)到該電流限值。由于輸出電容充電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大負(fù)載電流，軟啟動(dòng)使得輸出電壓緩慢上升。電流軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓器輸入電流穩(wěn)定上升，不會(huì)將負(fù)載啟動(dòng)的瞬態(tài)電流傳遞到輸入。

使能負(fù)載時(shí)，大家可能會(huì)注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個(gè)點(diǎn)。這是因?yàn)樨?fù)載電路打開并嘗試在穩(wěn)壓器處于限流的條件下啟動(dòng)工作。如果負(fù)載電流高于軟啟動(dòng)電流，負(fù)載本身將進(jìn)入欠壓狀態(tài)，造成復(fù)位。隨著負(fù)載電流的打開和關(guān)閉，這種循環(huán)會(huì)不斷持續(xù)。最后軟啟動(dòng)電流達(dá)到足夠高的水平，可以支持負(fù)載供電，釋放復(fù)位，負(fù)載電路正常喚醒。

電壓軟啟動(dòng)

第二種軟啟動(dòng)是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會(huì)在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當(dāng)下游電路開啟時(shí)不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能避免負(fù)載多次進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，因?yàn)檩敵鲭妷簝H穿越負(fù)載欠壓門限一次。

電壓軟啟動(dòng)期間的浪涌電流取決于輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負(fù)載吸收的電流。典型情況下，按照浪涌電流大約為最大額定輸出電流的1%至10% (使用推薦的最小輸出電容)來(lái)設(shè)置輸出電壓斜率。將浪涌電流設(shè)置為小于最大負(fù)載電流的10%，為負(fù)載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點(diǎn)是輸入電流與負(fù)載變化有關(guān)，不可直接控制;優(yōu)點(diǎn)是可以避免系統(tǒng)多次復(fù)位。

圖1所示為電流軟啟動(dòng)和電壓軟啟動(dòng)對(duì)比。

圖1. 電流軟啟動(dòng)和電壓軟啟動(dòng)對(duì)比

2. 靜態(tài)電流與壓差

如果系統(tǒng)由電池供電，穩(wěn)壓器的電源電流非常重要。負(fù)載電路可短暫工作，然后長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時(shí)，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載的靜態(tài)電流。如果是這種情況，則要考慮挑選低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。

假設(shè)隨著電池電量的消耗，使得輸入與輸出之間的壓差達(dá)到很小的狀態(tài)。此時(shí)的線性穩(wěn)壓器，即使負(fù)載電流非常小，也會(huì)強(qiáng)制FET導(dǎo)通，最大程度地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時(shí)的潛在問(wèn)題是，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器輸出FET的柵極驅(qū)動(dòng)電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機(jī)模式”變?yōu)椤半姵乜焖俜烹娔Ｊ健薄?/p>

圖2. 最低壓差條件下，MG驅(qū)動(dòng)阻抗造成靜態(tài)電流增大

即使很好的IC設(shè)計(jì)，靜態(tài)電流在最低壓差條件下增大的現(xiàn)象也并不罕見。小壓差下的電源電流提高2倍很常見，有些設(shè)計(jì)甚至增大10倍或更多。有些器件在EC表或靜態(tài)電流與輸入電壓關(guān)系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但更多情況下，數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的是叫高壓差下的電源電流。

對(duì)于具體應(yīng)用，如果低壓差條件下的靜態(tài)電流非常重要，應(yīng)挑選提供該信息的LDO，或者進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，確定性能滿足要求。

3. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載快速變化期間，多數(shù)穩(wěn)壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。負(fù)載變化時(shí)，輸出FET柵極驅(qū)動(dòng)需要隨之變化。而柵極驅(qū)動(dòng)達(dá)到新水平所需的時(shí)間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過(guò)沖。

滿載時(shí)的快速瞬變會(huì)造成最差情況下的瞬態(tài)下沖。挑選穩(wěn)壓器之前，須務(wù)必檢驗(yàn)瞬態(tài)響應(yīng)。與從1%滿載作為初始條件相比，從10%滿載開始通常會(huì)給出更好的結(jié)果;因?yàn)?0%負(fù)載預(yù)偏置與1%負(fù)載預(yù)偏置相比，輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負(fù)載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得不錯(cuò)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較困難。

保證穩(wěn)壓器輸出負(fù)載最小在一定程度上可以規(guī)避大的負(fù)載瞬變，但這不是有效的解決方案。當(dāng)穩(wěn)壓器從滿載躍變到輕載時(shí)，往往會(huì)發(fā)生輸出過(guò)沖。而穩(wěn)壓器從過(guò)沖狀態(tài)恢復(fù)的過(guò)程當(dāng)中，器件處于比較敏感狀態(tài) —— 此時(shí)的輸出FET完全沒(méi)有偏置。這種狀態(tài)下，如果出現(xiàn)另一次負(fù)載階躍，輸出則出現(xiàn)下沖，比第一次更為嚴(yán)重。

如果存在任何快速開啟、關(guān)斷負(fù)載的情況，最好在類似條件下檢驗(yàn)每個(gè)穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。圖3所示為雙脈沖負(fù)載瞬變期間的性能。

圖3. 雙脈沖負(fù)載瞬變時(shí)的輸出下沖

4. 噪音與電源抑制比(PSRR)

顯而易見，大多數(shù)設(shè)計(jì)用于低噪音輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的PSRR。無(wú)論何種原因，負(fù)載對(duì)電源紋波都非常敏感。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，PSRR比輸出噪音問(wèn)題更嚴(yán)重。比如，一個(gè)線性穩(wěn)壓器的前端使用了降壓型調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓作為輸入，而其輸出端的負(fù)載又對(duì)噪音非常敏感。如果降壓型調(diào)節(jié)器的紋波為50mVP-P @ 100kHz，線性穩(wěn)壓器在100kHz下的PSRR為60dB，則輸出紋波為50uVP-P，等效輸出噪音大約15uVRMS。而同一線性穩(wěn)壓器在10Hz至100kHz帶寬范圍內(nèi)的總輸出噪音可能小于5uVRMS，由于PSRR和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產(chǎn)生的噪音達(dá)到穩(wěn)壓器本身噪音的3倍，如圖4所示。

圖4. 輸出噪音指標(biāo)變差主要取決于PSRR

對(duì)于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪音可能成為PSRR的決定因素。這是因?yàn)榉謮汉蟮姆答佪斎朐胍粼龃罅?。假如一個(gè)線性穩(wěn)壓器將噪音較高的升壓轉(zhuǎn)換器的17V輸出轉(zhuǎn)換為噪音較小的16V電源，紋波小于100uV。開關(guān)頻率處的PSRR為60dB，50mVP-P升壓轉(zhuǎn)換器紋波將損耗到50uVP-P，或者輸出噪音15uVRMS。如果采用5uVRMS低噪音基準(zhǔn)和反饋運(yùn)放輸入，我們來(lái)看一下反饋輸入產(chǎn)生的問(wèn)題。如果反饋輸入調(diào)整在1.25V，電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出設(shè)置為16V，那么輸出噪音將增大到5uVRMS x (16V/1.25V)，即64uVRMS，這可能成為主要的噪音源。圖5顯示了高壓輸出造成的輸出噪音性能下降。

在查找線性穩(wěn)壓器時(shí)，如果為噪音敏感的負(fù)載供電，通常既需要考慮輸出噪音，也需要考慮PSRR。

圖5. 高壓輸出造成的噪音性能下降

5. 輸入保護(hù)

線性穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管大多包含體二極管，該二極管可避免輸出比輸入高出0.7V以上。大多數(shù)情況下，該二極管不是問(wèn)題，但在兩種情況下會(huì)引起麻煩。

反向電壓保護(hù)

有些情況下，輸入電壓可能接反，造成極性反轉(zhuǎn)，比如放置9V電池的兩個(gè)金屬觸點(diǎn)。盡管連接器可以避免電池永久性反接，但在用戶更換電池時(shí)會(huì)有幾秒或更長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓。

反向電壓保護(hù)允許輸入引腳電壓低于地電位，不會(huì)吸收顯著電流。為達(dá)到這一目的，需要通過(guò)串聯(lián)開關(guān)將輸出FET的體二極管斷開。大多數(shù)穩(wěn)壓器都包括二極管，避免任何引腳電壓低于地電位，避免引腳發(fā)生靜電放電，即ESD。為實(shí)現(xiàn)反向電壓保護(hù)，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護(hù)器件，參見圖6。

MAX1725是一款具有反向電壓保護(hù)的器件，允許輸入比地電位低12V，不會(huì)吸收大的電流。

圖6. 反向電壓保護(hù)

反向電流保護(hù)

線性穩(wěn)壓器的反向電流保護(hù)很容易與反向電壓保護(hù)混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出FET體二極管的反向電流傳導(dǎo)，但控制方法完全不同。圖7所示為反向電流保護(hù)工作原理。

對(duì)于較高容性負(fù)載的情況，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩(wěn)壓器供電。同時(shí)假設(shè)該線性穩(wěn)壓器由大電流降壓轉(zhuǎn)換器供電，關(guān)斷狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器將其輸出短路至地。我們會(huì)毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，在第一次關(guān)斷事件期間，由于負(fù)載電容網(wǎng)絡(luò)同時(shí)通過(guò)線性穩(wěn)壓器的體二極管進(jìn)行放電，線性穩(wěn)壓器可能被損壞。

具有反向電流保護(hù)的線性穩(wěn)壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時(shí)，斷開體二極管，可以避免這一問(wèn)題。如果輸出電壓之前在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，輸出FET將導(dǎo)通，在觸發(fā)保護(hù)電路之前，會(huì)有少量反向電流流通。注意，反向電流保護(hù)僅僅消除從輸出到輸入的電流，但在輸入引腳電壓低于地電位時(shí)并未阻斷電流，就像反向電壓保護(hù)那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護(hù)的器件，在輸入短路至地時(shí)可阻斷負(fù)載電容的電流倒灌。

圖7. 反向電流保護(hù)

總結(jié)

我們以上討論了線性穩(wěn)壓器的一些特殊情況，這些問(wèn)題可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)或參數(shù)搜索中發(fā)現(xiàn)不了。有時(shí)候不太容易確定每款線性穩(wěn)壓器會(huì)出現(xiàn)哪種狀況，但了解潛在問(wèn)題就為您查找準(zhǔn)確的器件提供了很大優(yōu)勢(shì)。

（Joe Vanden Wymelenberg, Maxim Integrated核心產(chǎn)品事業(yè)部 IC設(shè)計(jì)執(zhí)行總監(jiān)）