LDO电源
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LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳
压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上,否则就不能正常工作。但是在一
些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。
针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。
LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或
FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所
谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需
的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO(低压降)稳压器
通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,
所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,
使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出
LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备
类似。
更新的发展使用 MOS 功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。使用
功率MOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成
的。如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。
DC-DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符
合这个定义都可以叫DCDC转换器,包括LDO。但是一般的说法是把直流变
(到)直流由开关方式实现的器件叫DCDC。
LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成
本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。它需要的外接元件也
很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标:
输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA(TI的TPS78001达到
Iq=0.5uA),电压降只有100mV(TI量产了号称0.1mV的LDO)。 LDO线性
稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P
沟道MOSFET,而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电
压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流;另一方面,
采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出
能力, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压
降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小,因
而它上面的电压降非常低。
如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很
高的效率。所以,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选
用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用,LDO稳压器仍
然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。
如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,
因为从上面的原理可以知道,LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如
果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。
DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器
的优点是效率高、可以输出大
电流、静态电流小。随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需
要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开
关噪音较大、成本相对较高。
近几年来,随著半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以
及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。由于出现了
导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。
例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其
次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。另外,如果开关频
率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。
有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。
总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本,效
率,噪声和性能上比较。
压差Dropout、噪音Noise、电源抑制比(PSRR)、静态电流Iq,这是LDO的四大关键数据。
Vin >= Vdrop + Vout。
且一般需要两个外接电容:Cin、Cout,一般采用钽电容或MLCC。
注意:LDO是稳压器
LDO的应用非常简单,很多LDO仅需在输入端及输出端各接一颗电容即可稳定工作。在以电池
作为电源的系统中,应当选择压差尽量低的LDO,这样可以使电池更长时间为系统供电。
静态电流Iq是Iquiescent的缩写,指芯片自身所消耗的电流。在一些低
功耗应用中,应当尽量选择Iq小的LDO。一些工程师在设计低功耗系统时,
仅考虑MCU本身消耗的电流,而忽略电源芯片上所消耗的电流,使整个系
统的待机功耗不能达标,曾经见过有的工程师在低功耗系统中选用78L05
为MCU提供电源,查阅数据手册可以得知78L05静态电流为1mA,不适合低
功耗应用,应该选择NCP583等等。
在射频、音频、ADC转换等应用系统中,PSRR(电源纹波抑制比)是一
个很重要的参数,其体现了LDO的抗噪能力,PSRR值越高LDO输出纹波越
低。下面列出了LDO的一些重要特性及应用方向。
不同电压输出级别的应用领域