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      電壓轉(zhuǎn)換中的LDO

      lPCU_elecfans ? 來(lái)源：未知 ? 2022-10-28 07:50 ? 次閱讀
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      電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在電壓轉(zhuǎn)換中，LDO和DCDC是經(jīng)常用到的兩種方式。眾所周知DCDC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)在于效率高，電流輸出大，靜態(tài)電流小。相比較于DCDC轉(zhuǎn)換器，LDO是一種壓降更低、噪聲更低、成本也更低的器件。

      傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器輸出電壓條件很?chē)?yán)苛，這才有了LDO類(lèi)的電壓轉(zhuǎn)換器件的誕生。壓降太大，消耗在線性穩(wěn)壓器上的能量會(huì)增加不少，這時(shí)候就很容易影響效率。LDO可以看作低壓差加線性加穩(wěn)壓器。


      LDO中的Dropout

      從LDO的命名（low-dropout regulator）就可以看出，這種器件最典型的特征就是dropout。按最基本的說(shuō)法，dropout描述了適當(dāng)調(diào)節(jié)所需的VIN和VOUT之間的最小值。Dropout電壓也就是指輸入電壓VIN必須保持在所需輸出電壓VOUT以上的最小電壓差。LDO可以在輸入電壓降低時(shí)持續(xù)保持輸出電壓不變，直到輸入電壓逼近輸出電壓加上這個(gè)壓差。

      我們知道DCDC的效率普遍是高于LDO的，其實(shí)如果輸入電壓和輸出電壓很接近，那么LDO穩(wěn)壓器也能達(dá)到很高的效率，也就是壓差足夠小的情況下，LDO效率也不會(huì)很低。但如果并不接近，壓差太大，消耗在LDO上的能量會(huì)增加不少，既會(huì)增加器件功耗又會(huì)影響效率。很多因素都會(huì)影響這個(gè)壓差，比如負(fù)載電流和結(jié)點(diǎn)溫度，但從根本看，這個(gè)壓差本質(zhì)上是由LDO的體系架構(gòu)決定——PMOS LDO架構(gòu)和NMOS LDO架構(gòu)。

      PMOS LDO架構(gòu)在較高的輸出電壓下將具有較低的壓差，NMOS LDO架構(gòu)在低輸出電壓下實(shí)現(xiàn)較低的壓差。二者相較來(lái)說(shuō)PMOS架構(gòu)會(huì)更常見(jiàn)一些，因此LDO一般不會(huì)走大電流，小電流場(chǎng)景PMOS LDO架構(gòu)更適合，在大電流場(chǎng)景NMOS LDO架構(gòu)更適合。

      相輔相成的LDO與電容

      LDO需要的外接元件不多，一到兩個(gè)旁路電容即可，相比于DCDC需要外接的電感、二極管、電容這些算得上是非常簡(jiǎn)單了。雖然簡(jiǎn)單，但是電容卻十分重要，它與LDO相輔相成，合適的電容選擇才能讓LDO穩(wěn)定地正常工作。

      電容的制成材料有很多種，每種不同材料的電容在應(yīng)用時(shí)都會(huì)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通常來(lái)說(shuō)，陶瓷電容都會(huì)是不錯(cuò)的選擇，陶瓷電容的變化最小，而且成本也很低。電容值的變化會(huì)直接影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性，增加電路的不可預(yù)測(cè)行為。標(biāo)注的電容值可能和實(shí)際它能提供的電容天差地別，可能是因?yàn)橹绷麟妷浩顚?dǎo)致，可能是溫度導(dǎo)致，因此選擇合適的電容是LDO關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

      電容器的動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致其在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下可能會(huì)發(fā)生一些自發(fā)極化，這使電容具有初始電容?？梢詫?duì)電容器施加外部直流電壓，產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)初始極化，直流偏置特性不佳的電介質(zhì)就不適合與LDO一起使用。溫度上按照電容器指定的溫度等級(jí)劃分，大部分LDO結(jié)溫在-40℃到125℃，在這個(gè)溫度范圍，X5R或X7R電容是比較合適的。LDO可以與很多這種小型陶瓷電容配合使用，前提這些電容的寄生等效串聯(lián)電阻足夠低。

      LDO的低噪聲

      LDO的優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯，只能實(shí)現(xiàn)降壓，而且因?yàn)樾?，發(fā)熱，最小壓差等因素其應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)一步受限。但在敏感的模擬電路中，往往需要稍微犧牲效率來(lái)保證電源在更低噪聲下的純凈。當(dāng)然LDO作為電子器件也會(huì)有噪聲，噪聲來(lái)源分為內(nèi)部噪聲與外部噪聲。

      外部噪聲的抑制能力PSRR在LDO的數(shù)據(jù)表中都會(huì)詳細(xì)標(biāo)注出來(lái)，和LDO的整體設(shè)計(jì)相關(guān)。想進(jìn)一步提高外部噪聲抑制也可以通過(guò)額外增加濾波等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部噪聲集中在噪聲頻譜的低側(cè)，這種噪聲主要來(lái)自內(nèi)部參考電壓，也有可能來(lái)自誤差放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電阻分壓器。大多數(shù)LDO內(nèi)部噪聲的抑制能力并不像PSRR會(huì)在器件的參數(shù)上標(biāo)注出來(lái)，要降低內(nèi)部噪聲可以在帶隙基準(zhǔn)源和誤差放大器之間加用于降噪的電容實(shí)現(xiàn)低通濾波，過(guò)濾內(nèi)部電壓噪聲，也可以在反饋電阻上增加前饋電容，二者效果類(lèi)似。很少會(huì)選擇降低誤差放大器帶寬來(lái)抑制內(nèi)部噪聲，這會(huì)降低器件的動(dòng)態(tài)性能。

      在模擬電路中，LDO抑制噪聲的能力非常重要，抑制來(lái)自上游電源和下游負(fù)載的噪聲的同時(shí)自身不給電路增加噪聲。

      小結(jié)

      熱性能對(duì)LDO性能的提升也不小，LDO 的本質(zhì)是通過(guò)將多余的功率轉(zhuǎn)化為熱量來(lái)調(diào)節(jié)電壓，從而使該集成電路非常適合低功耗或壓差值較小的應(yīng)用。想更大限度地提高LDO的性能可以從合適封裝著手提高器件的熱性能。


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