【導讀】現代電子設備正變得越來(lái)越小，越來(lái)越便攜。智能手表、健身追蹤器、安防系統和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備越來(lái)越多地采用電池供電。因此，這些設備需要高效率電源穩壓器，能夠從每次充電中炸盡每一毫瓦的功率，以確保設備工作更長(cháng)的時(shí)間。此外，這些設備的總過(guò)溫升必須極小。傳統的線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器無(wú)法輕易地滿(mǎn)足這些便攜式設備的效率要求。此外，開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器也會(huì )受到噪聲和瞬態(tài)電壓的影響。
本文將介紹低壓差穩壓器的基礎知識及其相對于傳統線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器的關(guān)鍵特性。然后，介紹來(lái)自 Diodes Incorporated 的真正電阻器件及其用法。
現代電子設備正變得越來(lái)越小，越來(lái)越便攜。智能手表、健身追蹤器、安防系統和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備越來(lái)越多地采用電池供電。因此，這些設備需要高效率電源穩壓器，能夠從每次充電中炸盡每一毫瓦的功率，以確保設備工作更長(cháng)的時(shí)間。此外，這些設備的總過(guò)溫升必須極小。傳統的線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器無(wú)法輕易地滿(mǎn)足這些便攜式設備的效率要求。此外，開(kāi)關(guān)模式電源穩壓器也會(huì )受到噪聲和瞬態(tài)電壓的影響。
低壓差穩壓器 (LDO) 是線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩壓器系列的最新產(chǎn)品，通過(guò)其自身的極低壓降運行，來(lái)提高效率并降低熱耗散。LDO 類(lèi)型眾多，封裝可以小到 3×3×0.6 mm，非常適合中低功率的應用。目前有輸出電壓恒定或可調的的版本，以及一些通過(guò)輸出使能線(xiàn)路進(jìn)行通斷控制的版本。
什么是 LDO 穩壓器？
電壓穩壓器的功能是在負載和源電壓變化的情況下保持輸出電壓恒定。傳統的電壓穩壓器電路采用線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)模式設計。LDO 穩壓器屬于線(xiàn)性穩壓器，但在工作期間其輸入和輸出端之間的電壓非常低。像所有的線(xiàn)性電壓穩壓器一樣，LDO 基于反饋控制回路（圖 1）。
圖 1：LDO 穩壓器基于電壓控制反饋電路。串聯(lián)傳輸器件可以是 PMOS、NMOS 或 PNP 雙極晶體管，其作用類(lèi)似于壓控電阻器。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
LDO 穩壓器通過(guò)電阻分壓器檢測輸出電壓，該分壓器會(huì )縮放輸出電平。輸出電壓經(jīng)過(guò)縮放后施加到誤差放大器上，然后比較基準電壓。誤差放大器驅動(dòng)串聯(lián)傳輸器件，以便在輸出端保持理想電壓。輸入和輸出電壓之差即為壓差，該電壓出現在傳輸設備上。
在 LDO 中，串聯(lián)傳輸器件的作用類(lèi)似電壓 - 可變電阻器。串聯(lián)傳輸器件可以是 P 溝道金屬氧化物半導體 (PMOS)、N 溝道金屬氧化物半導體 (NMOS) 或者 PNP 雙極晶體管。PMOS 和PNP 器件可以驅動(dòng)至飽和狀態(tài)，從而最大限度地減少壓差。在采用 PMOS 場(chǎng)效應晶體管 (FET) 的情況下，壓差大約等于溝道導通電阻(RDSON) 乘以輸出電流。雖然這些器件各有優(yōu)缺點(diǎn)，但事實(shí)證明 PMOS 器件的實(shí)施成本最低。Diodes Incorporated 的 AP7361EA 系列正輸出LDO 穩壓器采用 PMOS 傳輸器件，能在 1 A 負載電流下實(shí)現 3.3 V 輸出的壓差約為 360 mV，且電壓精度為 ±1%（圖 2）。
圖 2：如圖所示，AP7361EA 系列 3.3 V LDO 在三不同溫度下的壓差與輸出電流的函數關(guān)系圖。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
壓差與輸出電流的函數關(guān)系圖表明了每個(gè)溫度下都有恒定斜率，說(shuō)明其阻性特點(diǎn)。壓差在一定程度上與溫度有關(guān)，其電平隨著(zhù)溫度升高而提高。請注意，LDO 的壓差比傳統的線(xiàn)性電源穩壓器要低得多，后者的壓差約 2 V。
請注意，圖 1 所示的輸出電容是以其固有的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 表示的，該值會(huì )影響穩壓器的穩定性。所選電容器的 ESR 應低于 10 Ω，以保證在-40° 至 +85°C 的整個(gè)工作溫度內的穩定性。建議采用的電容器類(lèi)型包括多層陶瓷電容器 (MLCC)、固態(tài) E-CAP 以及數值超過(guò) 2.2 mF 的鉭電容器。
靜態(tài)電流 IQ 表示 LDO 在沒(méi)有負載時(shí)消耗的電源電流。靜態(tài)電流為 LDO 內部電路供電，如誤差放大器和輸出分壓器。在電池供電型設備中，靜態(tài)電流會(huì )影響到電池的放電率，而且通常情況下靜態(tài)電流盡可能低。Diodes Incorporated 的 AP7361EA 系列的典型 IQ 為 68 mA。
AP7361EA 系列 LDO
AP7361EA系列包括三種備選電路配置，如圖 3 所示。
圖 3：AP7361EA 系列提供輸出電壓恒定或可調的器件，帶或不帶使能控制功能。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
AP7361EA系列分為輸出電壓恒定或可調的版本。恒壓版本具有內部分壓器，提供 1.0 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.8 V 或 3.3 V 的輸出電壓電平。輸出可調器件需要用戶(hù)提供外部分壓器，且輸出電壓范圍為 0.8 V 至 5 V。所有版本的輸出電壓精度規格為 ±1%，同時(shí)輸入電壓范圍為 2.2 V 至6 V。
恒壓或輸出電壓可調版本可包含啟用控制線(xiàn) (EN)。AP7361EA 通過(guò)將EN 引腳設置為高電平而開(kāi)啟，通過(guò)將其拉低而該器件關(guān)斷。如果不使用這一功能，EN 引腳應與輸入引腳 (IN) 綁定在一起，以保持穩壓器輸出一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。使能線(xiàn)路的響應時(shí)間約為 200 ms，用于開(kāi)啟，而其關(guān)斷則用時(shí)約 50ms。
AP7361EA器件的另一個(gè)與眾不同之處是其封裝。該器件可采用 U-DFN3030-8（E 型）、SOT89-5、SOT223、TO252 (DPAK) 和 SO-8EP 封裝。
表 1 所示，以 AP7361EA 產(chǎn)品的不同版本為例進(jìn)行了比較，包括恒壓型 (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13)和可調型 (AP7361EA-FGE-7，AP7361EA-SPR-13)。
表 1：AP7361EA 恒壓配置和電壓可調配置的樣品。（表格來(lái)源：Art Pini，采用了 Diodes Inc. 提供的數據）
AP7361EA 系列器件都有短路和過(guò)流保護功能。如果輸出電流超過(guò)電流限制（通常為 1.5A），短路和過(guò)流保護則具有 400 mA 的折返限流。當器件的結溫上升到名義上的 150°C 時(shí)，就會(huì )發(fā)生熱關(guān)斷，而當結溫下降到大約 130°C 時(shí)恢復工作。
負載和電源調整率
負載調節能力表示 LDO 在輸出負載電流變化的情況下保持其輸出電壓的能力。這一特性對于電池供電型便攜設備非常重要，因為控制器經(jīng)常在不使用時(shí)關(guān)閉子系統。AP7361EA LDO 系列在輸出電平為 1 V 至 1.2 V 時(shí)的最大指定負載調節率為 1.5%，輸出為 1.2 V 至 3.3 V 時(shí)為 1%（圖 4）。
圖 4：3.3 V 輸出的負載調節圖示例。對于 3.3 V 標稱(chēng)輸出，負載在 100 mA 至 500 mA 范圍內變化時(shí)，最大輸出變化約為 0.15% 或約 5.0 mV。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
負載調節率是最大輸出電壓變化與額定輸出電壓之比。在上例中，負載變化為 100 mA 至 500 mA 時(shí)，最大輸出變化約為 5.0 mV。因此，負載調節率是 0.005/3.3 或 0.15%。
線(xiàn)路變化規定了每伏輸出的源電壓變化時(shí)的輸出變化。AP7361EA 系列在室溫下的最大電源調整率為 0.1%/V，在整個(gè)溫度范圍內為 0.2%/V。對于 3.3 V 輸出，1 V 輸入電平變化應該有小于輸出電平變化，即標稱(chēng) 3.3 V 輸出的 0.33%（圖 5）。
圖 5：所示為AP7361EA 在 3.3 V 輸出時(shí)的電源調整率。輸入電壓在 4.3 V 到 5.3 V 之間變化會(huì )導致輸出電壓發(fā)生 0.05% 的變化。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
圖 5 顯示了 LDO 的電源調整率。源電壓在 4.3 V 到 5.3 V 之間變化，將導致輸出電平發(fā)生 0.05% 或大約 1.65 mV 的變化。
請注意，在線(xiàn)路和負載變化條件下，說(shuō)明了輸出值從瞬態(tài)事件中迅速恢復。這一特點(diǎn)在便攜式設備重啟過(guò)程中非常重要，因為在重新啟動(dòng)消音電路之前，電源總線(xiàn)必須啟動(dòng)并發(fā)揮作用。
電源抑制比
作為線(xiàn)性電路，LDO 產(chǎn)生的噪聲比開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 或電源轉換器要小得多。在許多應用中，在電路板上使用 LDO，但電源是 SMPS。由于LDO 內的控制系統，它傾向于抑制來(lái)自輸入電源的噪聲和紋波。衡量這種噪聲抑制的標準是電源抑制比 (PSRR)（圖 6）。
圖 6：PSRR 是根據在 LDO 的輸入和輸出端測量的交變電流信號計算的。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
如圖 6 所示，PSRR 是根據輸入的交流分量與輸出的交流分量之比計算的。AP7361EA 系列的 PSRR 與頻率有關(guān)，隨著(zhù)頻率的增加而降低。1 kHz 時(shí)，PSRR 為 75 dB；10 kHz 時(shí)下降至 55 dB。75 dB 代表衰減超過(guò) 5600:1。1kHz 時(shí)的 10mV 紋波或噪聲信號將被衰減至約 1.7 μV。
應用實(shí)例
圖 7 所示為輸出可調的 LDO 的典型應用。該應用包括一個(gè)與 AP7361EA-SPR-13 類(lèi)似的輸出使能以及一個(gè)外部輸出分壓器。
圖 7：使用了需要外部輸出分壓器的可調輸出 LDO 的實(shí)例。右下方的公式顯示了為滿(mǎn)足期望的輸出電壓和內部基準而采用的電阻 R1 和 R2 之間的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Diodes Incorporated）
電阻分壓器的電阻值可以用圖 7 右下方所示的公式計算。R2 的值應保持小于 80 kΩ，以確保內部電壓基準的穩定性。對于 2.4 V 輸出，基準電壓為 0.8 V，R2 為 61.9 kΩ，R1 為 123.8 kΩ。一個(gè) 124 kΩ、1% 的電阻就是所需的電阻。
結語(yǔ)
LDO 是線(xiàn)性穩壓器，工作時(shí)輸入和輸出之間保持低壓差并具有低靜態(tài)電流。這種穩壓器具有高功率效率、低噪音和小尺寸。這種穩壓器特別適合電池供電型便攜式設備，因為這種器件可以延長(cháng)電池壽命并提高可靠性。
（作者：Art Pini，來(lái)源：Digikey得捷）
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