使用 LDO 降低系统的功耗
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1、前言
低压差稳压器 (LDO) 可在输出电压非常接近电源电压时用作直流线性稳压器,这是降低 LDO 功耗的重要因素。这种能力是线性稳压器和 LDO 之间的主要区别。“Low-dropout”是不言自明的;但是,实施 LDO 还可以使设计尺寸和性能受益。
2、什么是LDO低压差线性稳压器
首先来了解什么是线性稳压器,这是一种晶体管运行在线性区时候,使输入电压与输出电压有一个压差,就拿我们熟悉的LM7805来说,这是传统的线性稳压器,这种稳压芯片要求求输入电压至少要比输出电压高2V左右,否则不能正常输出;而LDO低压差线性稳压器只不过是把这个压差进一步降低,比如WIFI无线模块需要3.3V,只有输入5V时候,这个压差只有1.7V左右,用普通的线性稳压器不能实现,那么就要考虑使用LDO低压差线性稳压器,这时候LDO应运而生
3、LDO低压差线性稳压器特点
既然是作为低压差稳压器,那么首先第一个特点就是极低的输入输出电压差,
其次它还具有电压输出稳定、噪声小、纹波小、体积小、外围电路简单等。在设计电路时候如果用到LDO稳压器,一般需要至少考虑四个因素:静态电流、输入输出压差、噪声以及纹波抑制比。
①静态电流IQ:IQ是低压差线性稳压器的一种重要设计参数,可以理解为没有信号输出情况下IC本身消耗的电流,现在产品越来与趋向于小型化,同时要求功耗更低,像STM32这样高性能芯片,其功耗可低至2μA。基于此,很多便携式电子产品,特别是带电池类产品都喜欢用低功耗的LDO产品,因为待机功耗小,使用时间也就长;
②输入输出压差VDROP:LDO要求输入电压要稍大于输出电压,即VDROP=Vin - Vout,这个差值不能太大,要不然稳压精度会受到影响,可以看出LDO只能降压而不能升压;
③噪声:噪声其实是一个统称,是衡量一款电源产品优秀的重要参考因素,它里面包含耦合、谐振等;
④纹波抑制比:电源变化量与输出变化量的比值,是输出信号受电源影响比值,反映LDO抑制信号源的能力。
LDO 相对于 DC/DC 稳压器的一个显着优势是不存在开关噪声。事实证明,这种优势对于涉及输出电压纹波的应用至关重要,这些纹波可能会影响传感器、定时器和控制器等设备的精度。LDO 的另一个关键特性是静态电流 I Q。不需要持续运行的应用应具有低 I Q以最大限度地减少空闲期间的功耗。图 1 是相关的 TI Designs 参考设计、工业应用 LDO 稳压器后 AC/DC 整流器纹波清除器参考设计 (TID-00896) 的框图。
许多工业应用要求微控制器单元 (MCU) 在操作未运行时处于睡眠模式,以减少电池消耗。图 1 是由 LDO 滤波的隔离式 AC 到 DC 整流信号的概念框图。蓝色块表示需要这种低 I Q电源管理设计的应用的可变性,以便在 MCU 处于睡眠模式时降低功耗。
图 1:TIDA-00896 高级框图
图 2 显示了 TI LM2936在 100µA 负载下具有15µA 超低 I Q。请注意输入电压上升时 LM2936 支持的低 I Q的线性度。这一特性使 LM2936 成为电池供电系统的最佳选择,因为它在待机模式下 始终保持低 I Q。
图 2:LM2936 的I Q
LDO 在工业应用中的另一个重要特性是宽输入电压 (V IN ) 范围。LM2936 具有宽 V IN范围和 40V 的最大工作电压限制,这对于在输入处具有急性瞬态的应用至关重要。
电源抑制比 (PSRR) 可阻止电源产生的有害噪声。图 3 说明 LM2936 的 PSRR 从低频一直到 10kHz 都稳定在 60dB。此功能对于运动探测器、智能电表和烟雾探测器等对噪声敏感的应用非常重要。
图 3:LM2936 的 PSRR
与医疗和测试与测量设备等应用中使用的其他设备相比,噪声可能是选择 LDO 的决定性因素。驱动对噪声敏感的终端设备的两个关键组件是 PSRR 和输出电压噪声;LP38798 提供高 PSRR 和超低输出电压噪声。表 1 突出显示了 LP38798 的 PSRR 和输出电压噪声值。
表 1:LP38798 的 PSRR 和输出电压噪声
有许多应用,特别是工业应用,需要待机时间以最大限度地降低功耗,在整个系统不需要处于开启状态的时间使用更少的功率。通常,这些应用可以由电池供电,因此,节省电力将提高效率并最终延长电池寿命。因此,在设计需要在低额定功率下获得最佳性能的系统时,实施 LDO 为需要频繁待机时间的设备供电可以节省功耗。