低压差线性稳压器设计要点

1 线性稳压器基本类型及LDO的主要特点 
1．1 线性稳压器的5种基本类型
    线性稳压器的5种基本类型如图l所示。其中图1(a)为传统的NPN型线性稳压器，其输入一输出压差超过2．5～3V，I为驱动电流(下同)。其中图1(b)为准低压差线性稳压器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator)，其压差可减小到0．9~1．5V。其中图1(c)为PNP型低压差线性稳压器(LDO，Low Dropout Linear Regulator)，其压差仅为0．3~0．6V。图l(d)为由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器(VLDO，Verv Low Dropout Linear Regulator)，其压差可降至100mV左右。图1(e)为由N沟道MOS管构成的NMOSVLDO，其压差压差可低至几十毫伏。

    上述5种线性稳压器的压差计算公式如表1所列。

1．2 LDO的主要特点
    LDO的主要特点是可最大限度地降低调整管压降，从而大大减小了输入一输出压差，使稳压器能在输入电压略高于额定输出电压的条件下工作。例如，传统的线性稳压器7805或LM317，要求输入电压必须比输出电压高出2．5～3V才能正常工作。为获得+5V输出，就需要+8V的输入电压。与之相比，新型低压差稳压器的输入电压只需高于+5．3V，即可获得+5V输出。从电源效率上看，LM317工作在+3．3V、1A时的效率低于50％，若采用Micrel公司的MIC5156型3．3V大电流LDO，则当输入电压略高于3．3V时其效率高达95％。
    LDO与开关稳压器相比，主要有以下6个优点：
    (1)稳压性能好；
    (2)低噪声(可达几十个微伏，无开关噪声)、低纹波(电源抑制比可达60~70dB)，这对于无线电和通信设备至关重要；
    (3)低静态电流(超βLDO的静态电流可低至几微安至几十微安)，低功耗，当输入电压与输出电压接近时可达到很高的效率；
    (4)具有快速响应能力，能对负载及输入电压的变化做出快速反应；
    (5)外围电路简单(仅用两只电容器)，使用方便；
    (6)成本低廉。

2 LDO的电路设计要点
    对于特定的应用，可根据设计条件来选择最合适的LDO。设计条件主要包括输入电源的类型(电池或者交流电源)、输出电压及电压精度、最大负载电流、静态(即空载条件下的)电流、特点(有无关断、故障标志输出等功能)。设计LD0时主要应考虑以下问题。
2．1 输出电压
    固定输出式LD0的外围电路简单，使用方便，并且能节省外部取样电阻分压器的成本和空间。其输出电压值在出厂时已趋于一致(仅限于通用电压)，输出电压精度一般为±5％，这对于大多数应用已经足够了。新型LD0采用激光修正技术，精度指标可达±1％～±2％。特别需要注意产品说明书所给出精度指标的适用条件，例如是在室温下还是在整个工作温度范围内，是满载条件下还是在中等负载或空载条件下。
    可调输出式LD0允许在规定范围内连续调节输出电压。若将输出端与反馈端相连，使输出电压等于内部基准电压，则最低输出电压一般为1．2V左右。
2．2 最大输出电流
    最大输出电流是LDO的一个基本参数。通常，输出电流越大，LD0的价格越高。LDO必须能在最不利的工作条件下给负载提供足够的电流。
2．3 输入电压 
    要求输入电压必须大于额定输出电压与输入一输出压差之和，即U1>U0+△U。否则LDO将失去稳压功能，输出电压会随输入电压而改变，此时U0就等于输入电压减去调整管导通电阻(RON)与负载电流的乘积，即U0=U1-RONI0。
2．4 压差
    压差是LDO的重要参数，它表示输入与输出之间的电位差。LD0的压差越小越好。但是当输入电压不能满足“最小压差”的要求时，LD0就无法正常工作。此时误差放大器会进入完全导通状态，使环路的增益变为零，对负载的稳压能力会变得很差，电源抑制比也大幅度降低。
    需要注意以下几点：
    第一，在LD0的参数表中可以有多个甚至多组压差数据，例如在轻载、中等负载、满载条件下压差的最小值、典型值和最大值。其中，典型值仅供设计时参考。最具有实际意义的应是满载条件下压差的最大值，该参数值是在最不利的情况下测得的。设计时应以此为依据，以便留出足够的余量，确保LDO在最坏的情况下也能正常工作。
    第二，为可靠起见，有时可按U1=U0+△U+lV的关系式来选择最低输入电压值。
    第三，输入一输出压差并非固定值，它随输出电流的增加而增大，随温度升高而增加。
2．5 静态电流
    静态电流是指在空载条件下或关断输出时，LDO内部流向地的总电流。静态电流越小，稳压器的功耗越低，在某些应用中，经常选择待机模式将输出关断，此时电池的使用寿命就取决于静态电流的大小。最近推出的新型LD0，静态电流可低至75～150μA，并且比普通LDO的稳压特性更好。需要强调的是LDO的静态电流不是一个固定值，它随负载电流的增大而增加。但VLDO的静态电流可近似认为是恒定值。
2．6 输入电源类型
    输入电源有两种类型，一种是直流电源，另一种是交流电源。采用交流电时，首先要经过电源变压器和整流滤波器变成直流电，然后给LD0提供输入电压，此时LDO的压差已不再是关键指标，因为通过增加电源变压器二次绕组的匝数，很容易提高LDO的输入电压，满足LDO对压差的需要。
2．7 LDO的附加功能
    (1)通/断控制功能允许用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出，使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。
    (2)输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。
    (3)故障标记输出功能当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时，LD0能输出故障标记信号。微处理器在接收到此信号后，可及时完成数据存储等项工作。
    (4)瞬变电压保护功能将LDO用于汽车电子设备时，需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护。一旦输出端出现瞬变电压，立即将输出关断。等瞬变电压过去之后，又迅速恢复正常工作。
    (5)跟踪能力 某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力，其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化，并及时调整自己的输出电压值，以减小各路输出之间的相对变化量。
    (6)排序所谓排序，就是在多个稳压电源构成的电源系统中，使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。
    (7)可编程可编程是指在规定范围内对LDO的输出电压进行编程，设定输出电压值。对LDO进行编程有以下3种方式：一次性可编程；非易失性多次可编程；易失性多次可编程。

3 印制板的布局
    人们往往将LDO看成“直流电路”，但它实际上是由高频晶体管组成的，为了快速响应输入电压或输出电流的变化，必须具备优良的高频特性。上述特性对印制板的布局和旁路电容都有严格要求。印制电路板(PCB)中的分布电容和分布电感会降低回路的补偿作用，增加电路的不稳定性。LDO的输入电阻过大，会使压降增大，进而增加电路的损耗；而输出电阻过大，会降低负载调整率。同样，接地回路也会出现此类问题。上述问题可通过印制板的正确布局来加以解决。为减小分布电容和分布电感，输入电容器和输出电容器应靠近LDO。在输入电容器上并联一只0．1μF的陶瓷电容器，能消除寄生阻抗的影响。在设计电池供电系统时，容易忽略电池的高频阻抗，采用陶瓷电容器可解决许多预料不到的问题。
    LDO的两条输出引线电阻(r01和r02)，会造成不必要的压降，影响对负载的调整。解决的方法是适当增加印制导线的宽度以减小引线电阻值。当负载距离LDO很远时，长引线还极易引起噪声。为了准确检测远程负载上的电压，建议采用四线制接法，亦称开尔文(Kelvin)接法，可调式输出电路如图2所示。该电路的特点是增加了两条细导线作为检测线，直接将负载R。上的电压引到取样电阻分压器R1和R2的两端。由于取样电阻的阻值较大，细导线上通过的电流很小，所形成的压降可忽略不计，因此能准确检测输出电压值。尽管原来的引线电阻r01和R02仍与负载串联，但r02未包含在检测电路中，因此所形成的压降并不影响检测精度。

    采用交流电源时，交流电首先经过电源变压器和整流桥变换成直流脉动电压，然后送至滤波电容C1。此时接地回路如何布局是一个关键问题。由于脉动电流一般要比平均直流电流大几倍，因此在地线电阻r0上形成压降，相对于负载而言就提高了GND端的电位，进而使输出电压升高。由于接地回路和脉动电流而降低固定输出式电压精度的电路如图3所示。解决方法是采用单点接地、四线制接法，一方面将信号地线与功率地线分开布置，最后再汇合；另一方面则通过两条检测线将负载上的电压直接加到取样电阻分压器上。具有远程检测功能的可调式LDO的电路布局如图4所示。

    对于TO一220封装的LDO，在功耗小于2W、中等温度的条件下可不加散热器。其他情况下必须加散热器。连接散热器的导线长度应尽量短，使热量能更直接地传递到印制板上，可利用印制板上的覆铜箔作为散热器，亦可接外部散热器。

4 LDO的常见故障分析
    LDO的常见故障分析如表2所列。