關(guān)于線性穩(wěn)壓器的5個重要細節(jié)

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

查找線性穩(wěn)壓器時，面對無限多的產(chǎn)品型號，利用參數(shù)搜索工具可以把挑選范圍縮小到少數(shù)幾個，看起來非常簡單。需要什么樣的輸出電壓?負載電流是多少?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?接下來是細節(jié)處理。如果負載對電源波動非常敏感怎么辦?可能要求極低的輸出噪音和很高的PSRR。如果設(shè)計采用電池供電，則對靜態(tài)電流的要求也會非常嚴格。

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。但這并沒結(jié)束。在最終決定之前，以下5個因素還需要考慮。

● 穩(wěn)壓器如何啟動?

● 接近最小壓差時，靜態(tài)電流是否依然保持在非常低?

● 對于實際負載，而非數(shù)據(jù)手冊測試數(shù)據(jù)，器件的負載瞬態(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?

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

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

1. 啟動

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功能。軟啟動可避免穩(wěn)壓器打開時造成輸入電源過載。軟啟動通常采用以下兩種方式之一。

電流軟啟動

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

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

電壓軟啟動

第二種軟啟動是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當下游電路開啟時不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能避免負載多次進入復位狀態(tài)，因為輸出電壓僅穿越負載欠壓門限一次。

電壓軟啟動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)來設(shè)置輸出電壓斜率。將浪涌電流設(shè)置為小于最大負載電流的10%，為負載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點是輸入電流與負載變化有關(guān)，不可直接控制;優(yōu)點是可以避免系統(tǒng)多次復位。

圖1所示為電流軟啟動和電壓軟啟動對比。

圖1. 電流軟啟動和電壓軟啟動對比

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。負載電路可短暫工作，然后長時間處于待機狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負載的靜態(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到很小的狀態(tài)。此時的線性穩(wěn)壓器，即使負載電流非常小，也會強制FET導通，最大程度地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時的潛在問題是，驅(qū)動穩(wěn)壓器輸出FET的柵極驅(qū)動電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機模式”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)動阻抗造成靜態(tài)電流增大

即使很好的IC設(shè)計，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應(yīng)關(guān)系。但更多情況下，數(shù)據(jù)手冊給出的是叫高壓差下的電源電流。

對于具體應(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，或者進行實際測量，確定性能滿足要求。

3. 負載瞬態(tài)響應(yīng)

負載快速變化期間，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)。負載變化時，輸出FET柵極驅(qū)動需要隨之變化。而柵極驅(qū)動達到新水平所需的時間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過沖。

滿載時的快速瞬變會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%滿載開始通常會給出更好的結(jié)果;因為10%負載預偏置與1%負載預偏置相比，輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得不錯的負載瞬態(tài)響應(yīng)比較困難。

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

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

圖3. 雙脈沖負載瞬變時的輸出下沖

4. 噪音與電源抑制比(PSRR)

顯而易見，大多數(shù)設(shè)計用于低噪音輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的PSRR。無論何種原因，負載對電源紋波都非常敏感。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器時，PSRR比輸出噪音問題更嚴重。比如，一個線性穩(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，而其輸出端的負載又對噪音非常敏感。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. 輸出噪音指標變差主要取決于PSRR

對于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪音可能成為PSRR的決定因素。這是因為分壓后的反饋輸入噪音增大了。假如一個線性穩(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低噪音基準和反饋運放輸入，我們來看一下反饋輸入產(chǎn)生的問題。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，如果為噪音敏感的負載供電，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

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，該二極管不是問題，但在兩種情況下會引起麻煩。

反向電壓保護

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電池的兩個金屬觸點。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會有幾秒或更長時間的反向電壓。

反向電壓保護允許輸入引腳電壓低于地電位，不會吸收顯著電流。為達到這一目的，需要通過串聯(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。為實現(xiàn)反向電壓保護，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護器件，參見圖6。

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

圖6. 反向電壓保護

反向電流保護

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

對于較高容性負載的情況，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。我們會毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，在第一次關(guān)斷事件期間，由于負載電容網(wǎng)絡(luò)同時通過線性穩(wěn)壓器的體二極管進行放電，線性穩(wěn)壓器可能被損壞。

具有反向電流保護的線性穩(wěn)壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時，斷開體二極管，可以避免這一問題。如果輸出電壓之前在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，輸出FET將導通，在觸發(fā)保護電路之前，會有少量反向電流流通。注意，反向電流保護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并未阻斷電流，就像反向電壓保護那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護的器件，在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。

圖7. 反向電流保護

總結(jié)

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

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