一、LDO介绍和分类

LDOLow-dropout Regulator,是一种低压差线性稳压器,能在输入电压与输出电压压降很小的条件下工作
LDO包括分立元器件搭的LDO电路及集成LDO芯片两种。
LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)LDO按其静态耗流来分,分为OmniPowerTM  / MicroPowerTM / NanoPowerTM三种产品。 

二、LDO工作原理

LDO稳压器的主要部件是一个功率场效应管(Power FET)和一个差分放大器(Differential Amplifier)。差分放大器的一端输入由输出电压和R1R2电阻决定,另一端输入参考电压。如果输出电压与参考电压有偏差,差分放大器的输出将会反馈调整功率效应管的输出,从而校准稳压器的输出电压。

三、LDO选取原则

所设计的电路要求分路电源具有下列特点时:  

  1) 低噪音、高纹波抑制;      

  2) 占用PCB板面积小(如手机、手持电子产品)     

  3) 电路电源不允许使用电感器(如手机)  

  4) 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能;   

  5) 要求稳压器低压降、自身低功耗;

  6) 线路要求低成本和简单方案;        

  此时,选用LDO是最确当、最实用、最方便、最经济的。

四、LDO主要参数

     1、压差

压差是LDO线性稳压器最重要的参数 LDO线性稳压器的压差电压是指系统能够调节,使输出稳定在期望输出的最小输入电压和输出电压值差。此时,输入电压将是系统能够调整地最小输入电压,比这更小的电压,输入与输出将成线性关系下降。。
德州仪器(TI)电压差定义为输出电压较其标称值跌落2%的输入、输出电压的差值。其它如美信(Maxim)、圣邦微电子(SGMC)电压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入、输出电压的差值。

2、静态电流

静态电流(或称地电流)是指调整器输入和输出电流之间的差;一个高效率的调整器,其静态电流必须足够小。
静态电流由参考源、采样电阻或误差放大器的偏置电流和调整管的驱动电流组成,它不提供输出功率
静态电流的大小主要由调整管、电路的拓扑结构和环境温度等因素决定
静态电流定义为:

3、效率

LDO调整器的效率受到静态电流和输入、输出电压的限制,满足下面的公式

Dropout电压和静态电流必须足够小,LDO才能有比较高的效率,另外,由于LDO调整器的功耗(                         )受到输入-输出电压差的影响,所以输入-输出电压差必须减小,效率才能提高。不管输出条件如何,输入-输出电压差是决定调整器效率的主要因素。

4、待机电流

 待机电流是指带有使能信号的LDO,当该信号关闭的时候LDO消耗的电流。参考电压和误差放大器同样也处于不供电的状态。可以进一步减小功耗。

5、瞬态响应

瞬态响应是LDO调整器的重要参数,它是负载电流阶跃变化时,输出电压允许的最大变化瞬态响应是输出电容(Co)、输出电容的等效串联阻抗(RSR)、旁路电容Cb和最大负载电流(Io_max)的函数,应用中应该确定这个值有多小。
Cb的作用是提高负载瞬态响应能力,也起到了为电路高频旁路的作用
为了获得更好的瞬态响应,LDO需要更宽的带宽,更大的输出容量、低ESR的电容。

6、线性调整率和负载调整率

线性调整率定义了输入变化对输出的影响,即在负载一定的情况下,输出电压变化量和输入电压变化量之比:

        •输入电压变化的最坏情况发生在电路的上下电过程

        •负载调整率是指在输入电压不变的条件下,负载发生变化时对输出电压的影响,即输出变化量与负载电流变化量的比值:

       •输出负载变化的最坏情况发生在负载电流从0增加到最大额定值,或者反过来变化。

7、电源噪声抑制

电源噪声抑制比也被叫做纹波抑制比,是衡量LDO对输入电压电源变动抑制的一种能力,需要考虑很宽的频率范围
控制环路往往是决定纹波抑制比的主要因素。大的输出电容,低ESR ,追加旁路电容能够改善纹波抑制比

     由于输出电容的ESR或者补偿电阻CSR)能引起控制环路不稳定LDO制造商通常会提供ESR取值曲线图。

8、精度

LDO调整器的精度是指线路调整率(ΔVLR)、负载调整率(ΔVLDR)、参考电压漂移(ΔVoref)、误差放大器电压漂移(ΔVoa),外部采样电阻容差(ΔVor)和温度系数(ΔVTC)的所有影响

LDO调整器电路中输出电压的变化主要是由于电压参考源的温度变化、差分放大器的温度变化、采样电阻的容差引起
负载调整率、线性调整率,增益误差的偏移通常只占精度的1%3%

 五、LDO设计及布局布线

1、输入电容

作用是对调整器的输入进行滤波,另外输入电容也可以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应,防止电路产生自激振荡
一般采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤波作用,一般取值10uF左右;较小的电容提供消除振荡作用,取值应小于1uF,实际应用中一般选择0.1uF,位置应尽量靠近调整器的输入端
输入电容的纹波电流应小于器件手册给出的额定值

    其中

    Iripple:输入电容的纹波电流 Vp:纹波电压的峰-峰值

    C:输入电容f:为纹波电压的频率,一般取100KHz

注意温度对电容特性的影响注意电容的额定电压要进行80%降额

2、输出电容

输入和输出滤波电容器,应当选用宽范围的、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器,使LDO在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。
陶瓷电容,优点:低价,低ESR,小尺寸;不足:失效模式为短路

       铝电解,优点:可自愈,低价;不足:体积大,老化率高

       电容,优点:体积小,等效并联电阻高;不足:自燃,有极性

       薄膜电容:宜作补偿电容用。优点:温度稳定性好,不足:较贵,体积大。

       NPO陶瓷电容,优点:综合性能好;不足:容值较小,价格贵。

LDO使用电路的设计中,陶瓷电容器是最好的选择因为陶瓷电容器无极性和具有低的ESR,典型值<100mΩ,电容器的ESR对输出纹波有重大影响。
ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响,如常用的贴片电容器X7R 电介质是最好的,但使用成本略高,X5R 电介质较好,性能/价格比适宜,而Y5V电介质较差,但成本较低。
LDO调整器带有多个负载时,每个负载电路的输入电容都是调整器的输出电容,必须保证所有这些电容的等效电容量及等效ESR满足电路稳定的要求。

       3、布局、布线

元器件放置:电路设计中,旁路电容应该尽量靠近器件引脚,即引线长度应尽量短,调整器输入端的到旁路电容的走线长度应小于1英寸
一点接地
耦支路尽量短
电流线路尽量短
做好散热设计

 六、LDO应用要点

七、 LDO 电路故障排除

症状

检查点

调整器振荡

1.布局不合理

2.输出电容及ESR选择不当

3.输入端没有旁路电容

在轻负载情况下,调整器不能调整

1.PNP型的发射极-基极电阻过大

2. 缺少(一般为1mA)的最小负载电流

3. 电路结构不合理

在重负载情况下,调整器不能调整

1.输入-输出电压差VinVo过小

3.电流限制太低

4.反馈电压检测点和负载之间的电阻开路

5.散热器不合适

在高环境温度下,调整器发热,然后失效

1.散热器不合适

2.瞬态输入电压Vin(max)或调整管Vceo过大

调整元件短路失效

1.调整元件的SOAIc(max)额定值不合适

2.散热器选择不当

3.输出对地(可能通过散热器)短路

调整器短路失效

1.超过了调整器电流或安全工作区的承受能力

2.散热器选择不当

调整器在电源上电时失效

1.瞬态输入电压 Vin(max)过大

2.当负载(电容)被充电时,超过了调整器电流或者安全

工作区的承受能力

调整器在电源下电时失效

1.调整器有反向偏置电压

短路后或者上电期间,输出电压不能升高

1.输出极性颠倒

2.在一些情况下负载出现闩锁(常发生在运算放大器、

电流源等电路中)

输出较大的60Hz或者120Hz纹波

1.输入滤波电容接地环路布局不合理

2.滤波电容选择不当

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