LDO的应用与选型设计
6.1ldo的选型ldo由于其极低的输入输出压差，当电路的分路电源有下面特点：
l要求电源转换效率高。
l低噪音，高纹波抑制。
l占用pcb面积小，如：手机，高集成度的系统板等。
l电路中电源不允许使用电感，如手机。
l电源需要瞬时校准和输出状态自检的电路。
lvi可以很接近v o ，因此可以减少ldo的耗散功率和提高效率。
l线路要求成本低和方案简单。
此时选用ldo是最适宜，最实用，最方便，最经济的。
在ldo的设计选型中，首先利用已知的输入电压v i ，需求的输出电压vo和输出电流i o （max），可以计算最大功耗p d （max）：
p~d~（max）＝p~i~－p~o~ 6-1 ＝（v~i~－v~o~）×i~o~ 6-2 p~i ~：进入ldo的功率。 p~o ~：ldo输出的功率。p d （max）：线性稳压器件可以消耗的最大功率。
v~i ~：ldo的输入电压。
v~o ~：ldo的输出电压。
i~o ~：ldo的输出电流。注意：线性稳压器件的i q （静态电流）由于比io小很多数量级常常被忽略。因此，我们假设i i ＝i o 。
可以利用p d （max）与相应的线性稳压器件的器件资料进行比较。如果器件资料中有功率耗散（power dissipation）表，使用p d （max）并交叉参考环境温度，覆铜面积和气流条件选择相应的封装。如果器件中只提供了相应封装的θja ，利用下式计算θja ：
θja（max）＝（tj－ta）/ p d （max） 6-3
θja：热阻, 结温到环境温度（℃/w）
tj：结温。
ta：环境温度。
如果p d （max）小于功率耗散表中的功率或器件资料中的θja小于上式计算的θja （max），则对应封装的散热是可以接收的。否则，该封装不能采纳。而且，在阅读器件资料时要将θja 或p d （max）与应用中相应的覆铜面积和气流综合考虑。
当最初的线性稳压器件的热量散耗不足时，最先考虑的是替换不同的封装。一般可以采用比应用所需电流更大输出能力的线性稳压器件以满足合适的热量条件。
如果，没有其它的封装能够满足应用。下面就要考虑加散热片或替换电源的解决方案。当考虑散热片时，利用（5-3）式计算的θja 代入（6-4）式：
θsa ≤ θja（max）－θjc －θcs 6-4
θja：热阻（结到环境）。（℃/w）
θjc：热阻（结到封装表面）。（℃/w）
θcs：热阻（结到散热片）。（℃/w）
θsa：热阻（散热片到环境）。（℃/w）
注意：θcs 是封装表面与散热片的热量接口，无论是空气，pcb/覆铜或其它类型的散热片。
选择具有合适的θsa 的散热片还要考虑散热片的形状以适应线性稳压器件的封装。
线性稳压器件的压差电压常常被误解。正如上面讨论的，vi和vo之间的电压差是通过线性稳压器后的压降。对于固定的负载电流，线性稳压器的输入与输出的电压降越小功率散耗就越低。压差电压是ldo技术指标中定义的能够稳压工作时vi和vo之间最小的差值又称为vdo
6.2ldo的选型举例6.2.1ldo选型例子之一给定tms320c6201 dsp ，有下列的系统需要：
内核电压vcore ：1.8v±3%（功率pcore ＝ 1.0w时）
i/o电压vio ：3.3v±5%（功率pio ＝ 0.2w时）
ldo输入电压vi ：5.0v±5%
环境温度 ta ：50℃
找出满足以上条件的双输出ldo为dsp供电。
我们首先要确定双输出ldo的最大总耗散功率：
p d （core）max＝（v~i ~－vcore）×icore
＝（1.05×vi－0.97×vcore）×（pcore /（0.97×vcore））＝（5.25－1.75）×（1.0 / 1.75）
＝ 2.0（w）p d （i/o）max ＝ （v i － vo （i/o））×i(i/o)
＝ （1.05×v~i~－0.95×v~io~）×（p~io~ /（0.95×v~io~）） ＝ （5.25－3.14）×（0.2/3.14）＝ 0.134（w）
p d （max）＝p d （core）max＋p d （i/o）max
＝2.0＋0.134＝2.134（w）
下面确定某封装的最大热阻：
p d （max）＝（tj（max）－ta）/θja
θja ≦（tj（max）－ta）/p d （max）
大部分的ldo的数据资料中tj（max）＝125 ℃
θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）
然后在公司的通用件库里选择合适的ldo型号。
6.2.2ldo选型例子之二tps76833有8脚so封装和20脚tssop封装两种。so封装对应的热阻θja＝172℃/w,tssop封装对应的热阻θja＝32.6℃/w。试确定下列哪种封装满足下列工作条件：
vi＝5.0v＋5%
vo＝3.3v±2%
io：0.95a
ta＝50℃，自然通风。
首先，确定最大耗散功率
p d （max）＝（v i －v o ）×io
＝ （（1.05×v~i~）－（0.98×v~o~））×i~o~ ＝（5.25－3.234）×0.95 ＝1.915（w）更据以上条件计算相应的热阻θja：
θja≦（tj（max）－ta）/pd（max）
由tps76833的数据资料可知，tj（max）＝125℃。所以：
θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/w）
所以，应该选择20脚tssop封装的tps76833器件。
在ldo选型中，如果已选定的器件热阻不能满足，应用的热阻条件可以考虑增加散热片或覆铜面积的方法。必要时可以考虑更改封装类型。在初次设计选择器件时要根据应用条件，计算出最大热阻。然后选择相应的器件，这样可以保证设计的成功应用。
6.3ldo的电路应用ldo 的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见图6.2。
图6.2 ldo典型应用
vin 和vout 的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、满足ldo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。
一些ldo 有一个bypass 附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步
降低噪音。
电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电容值、电介质材料
类型、物理尺寸、等效串联电阻(esr)等这些重要参数都是设计工程师所要考虑
的。
在ldo 使用电路的设计中，钽电容是最优选择，因为它的esr值非常适合ldo输出电容的esr要求，不过钽电容价格比较贵，体积相对也比较大。陶瓷电容器是很好的选择，因为陶瓷电容器无极性和具有低的esr，典型值<100mω，许多新型的ldo内部对电容的esr有了补偿，可以选用rsr很低的陶瓷电容来做输出电容。如常用的贴片电容器x7r 电介质是比较好的，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，一般很少选用。
ldo 在pcb 板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近rf线时降噪性能会受影响。滤波电容器汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。在通常的布线设计中常常遇到此类情况(图6.3)。
图 6.3 通常的ldo布线设计
如果将此布线线路优化，则可在由负载返回地的电流中，噪音和纹波都降至最小。如图6.4.
图6.4 优化后的布线设计
理想的pcb 板布线设计是接地点尽可能的粗短和走捷径，走线一定要考虑各个器件间的干扰和辐射，器件的合理排列可有利于有效地减少各个器件间的相互干扰和辐射，如图6.5 所示。
图6.5 ldo布线图
上图中左面的布线中交流信号的回流路径明显要比右面的短，并且交流环路并没有经过地平面，这样噪音和纹波会大大减小。
7.公司库中一些常用ldo介绍在公司通用器件库里，有近50款ldo，基本涵盖了输出电压从0.9v到6v的大部分ldo。根据公司物料技术经理推荐，公司库里ldo品牌推荐遵循下面原则：
max iout 1.5a，当压差大于800mv时，优选ns、semtech、sipex；
当对压差要求小于800mv时，优选micrel、sipex、ti，linear可做为备选。
下面简要介绍几款在公司大量应用的ldo。
7.1.2930系列2930系列是公司用量非常大的一款ldo产品，在公司有一万多款单板都使用这系列的各型号ldo。主要生产厂家为micrel公司和sipex公司。
2930系列应用于大电流输出场合，很多时候可以替代dc-dc开关电源。主要有如下特点：
由于输出电流很大，所以2930的封装也比较大，并有大大的金属散热盘，可以直接焊接到pcb，或者加装散热片。
图7.1 2930的封装
2930的应用电路很简单，对于固定电压输出的只需外加一片输出电容即可。
7.2.1117系列1117系列作为一个低功耗正向电压调节器，在公司2300多种单板中使用。它可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1v。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。1117可调节，以选择1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.0v，3.3v及5v的输出电压。
1117为提供多种3引脚封装：sot-223，to-252，to-220及to-263。一个10uf的输出电容可有效地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uf电容。
1117的生产厂家有ns的lm1117和sipex的spx1117，它具有如下特性：
l0.8a稳定输出电流；
l1a稳定峰值电流；
l3端可调节(电压可选：1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.0v，3.3v及5v)；
l低静态电流；
l0.8a时低压差为1.1v；
l0.1%线性调整率/0.2%负载调整率；
l2.2uf陶瓷电容即可保持稳定；
l过流及温度保护；
l多封装：sot-223，to-252，to-220及to-263(现已提供无铅封装)。
1117内置有esr稳定电阻，因此外接电容可以选用陶瓷电容，这样很适宜低成本和小型化的应用。
1117有固定电压输出和可调电压输出。具体电路图如下：
图7.2 固定输出的1117
图 7.3 可变输出的1117
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l要求电源转换效率高。
l低噪音，高纹波抑制。
l占用pcb面积小，如：手机，高集成度的系统板等。
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lvi可以很接近v o ，因此可以减少ldo的耗散功率和提高效率。
l线路要求成本低和方案简单。
此时选用ldo是最适宜，最实用，最方便，最经济的。
在ldo的设计选型中，首先利用已知的输入电压v i ，需求的输出电压vo和输出电流i o （max），可以计算最大功耗p d （max）：
p~d~（max）＝p~i~－p~o~ 6-1 ＝（v~i~－v~o~）×i~o~ 6-2 p~i ~：进入ldo的功率。 p~o ~：ldo输出的功率。p d （max）：线性稳压器件可以消耗的最大功率。
v~i ~：ldo的输入电压。
v~o ~：ldo的输出电压。
i~o ~：ldo的输出电流。注意：线性稳压器件的i q （静态电流）由于比io小很多数量级常常被忽略。因此，我们假设i i ＝i o 。
可以利用p d （max）与相应的线性稳压器件的器件资料进行比较。如果器件资料中有功率耗散（power dissipation）表，使用p d （max）并交叉参考环境温度，覆铜面积和气流条件选择相应的封装。如果器件中只提供了相应封装的θja ，利用下式计算θja ：
θja（max）＝（tj－ta）/ p d （max） 6-3
θja：热阻, 结温到环境温度（℃/w）
tj：结温。
ta：环境温度。
如果p d （max）小于功率耗散表中的功率或器件资料中的θja小于上式计算的θja （max），则对应封装的散热是可以接收的。否则，该封装不能采纳。而且，在阅读器件资料时要将θja 或p d （max）与应用中相应的覆铜面积和气流综合考虑。
当最初的线性稳压器件的热量散耗不足时，最先考虑的是替换不同的封装。一般可以采用比应用所需电流更大输出能力的线性稳压器件以满足合适的热量条件。
如果，没有其它的封装能够满足应用。下面就要考虑加散热片或替换电源的解决方案。当考虑散热片时，利用（5-3）式计算的θja 代入（6-4）式：
θsa ≤ θja（max）－θjc －θcs 6-4
θja：热阻（结到环境）。（℃/w）
θjc：热阻（结到封装表面）。（℃/w）
θcs：热阻（结到散热片）。（℃/w）
θsa：热阻（散热片到环境）。（℃/w）
注意：θcs 是封装表面与散热片的热量接口，无论是空气，pcb/覆铜或其它类型的散热片。
选择具有合适的θsa 的散热片还要考虑散热片的形状以适应线性稳压器件的封装。
线性稳压器件的压差电压常常被误解。正如上面讨论的，vi和vo之间的电压差是通过线性稳压器后的压降。对于固定的负载电流，线性稳压器的输入与输出的电压降越小功率散耗就越低。压差电压是ldo技术指标中定义的能够稳压工作时vi和vo之间最小的差值又称为vdo
6.2ldo的选型举例6.2.1ldo选型例子之一给定tms320c6201 dsp ，有下列的系统需要：
内核电压vcore ：1.8v±3%（功率pcore ＝ 1.0w时）
i/o电压vio ：3.3v±5%（功率pio ＝ 0.2w时）
ldo输入电压vi ：5.0v±5%
环境温度 ta ：50℃
找出满足以上条件的双输出ldo为dsp供电。
我们首先要确定双输出ldo的最大总耗散功率：
p d （core）max＝（v~i ~－vcore）×icore
＝（1.05×vi－0.97×vcore）×（pcore /（0.97×vcore））＝（5.25－1.75）×（1.0 / 1.75）
＝ 2.0（w）p d （i/o）max ＝ （v i － vo （i/o））×i(i/o)
＝ （1.05×v~i~－0.95×v~io~）×（p~io~ /（0.95×v~io~）） ＝ （5.25－3.14）×（0.2/3.14）＝ 0.134（w）
p d （max）＝p d （core）max＋p d （i/o）max
＝2.0＋0.134＝2.134（w）
下面确定某封装的最大热阻：
p d （max）＝（tj（max）－ta）/θja
θja ≦（tj（max）－ta）/p d （max）
大部分的ldo的数据资料中tj（max）＝125 ℃
θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）
然后在公司的通用件库里选择合适的ldo型号。
6.2.2ldo选型例子之二tps76833有8脚so封装和20脚tssop封装两种。so封装对应的热阻θja＝172℃/w,tssop封装对应的热阻θja＝32.6℃/w。试确定下列哪种封装满足下列工作条件：
vi＝5.0v＋5%
vo＝3.3v±2%
io：0.95a
ta＝50℃，自然通风。
首先，确定最大耗散功率
p d （max）＝（v i －v o ）×io
＝ （（1.05×v~i~）－（0.98×v~o~））×i~o~ ＝（5.25－3.234）×0.95 ＝1.915（w）更据以上条件计算相应的热阻θja：
θja≦（tj（max）－ta）/pd（max）
由tps76833的数据资料可知，tj（max）＝125℃。所以：
θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/w）
所以，应该选择20脚tssop封装的tps76833器件。
在ldo选型中，如果已选定的器件热阻不能满足，应用的热阻条件可以考虑增加散热片或覆铜面积的方法。必要时可以考虑更改封装类型。在初次设计选择器件时要根据应用条件，计算出最大热阻。然后选择相应的器件，这样可以保证设计的成功应用。
6.3ldo的电路应用ldo 的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见图6.2。
图6.2 ldo典型应用
vin 和vout 的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、满足ldo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。
一些ldo 有一个bypass 附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步
降低噪音。
电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电容值、电介质材料
类型、物理尺寸、等效串联电阻(esr)等这些重要参数都是设计工程师所要考虑
的。
在ldo 使用电路的设计中，钽电容是最优选择，因为它的esr值非常适合ldo输出电容的esr要求，不过钽电容价格比较贵，体积相对也比较大。陶瓷电容器是很好的选择，因为陶瓷电容器无极性和具有低的esr，典型值<100mω，许多新型的ldo内部对电容的esr有了补偿，可以选用rsr很低的陶瓷电容来做输出电容。如常用的贴片电容器x7r 电介质是比较好的，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，一般很少选用。
ldo 在pcb 板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近rf线时降噪性能会受影响。滤波电容器汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。在通常的布线设计中常常遇到此类情况(图6.3)。
图 6.3 通常的ldo布线设计
如果将此布线线路优化，则可在由负载返回地的电流中，噪音和纹波都降至最小。如图6.4.
图6.4 优化后的布线设计
理想的pcb 板布线设计是接地点尽可能的粗短和走捷径，走线一定要考虑各个器件间的干扰和辐射，器件的合理排列可有利于有效地减少各个器件间的相互干扰和辐射，如图6.5 所示。
图6.5 ldo布线图
上图中左面的布线中交流信号的回流路径明显要比右面的短，并且交流环路并没有经过地平面，这样噪音和纹波会大大减小。
7.公司库中一些常用ldo介绍在公司通用器件库里，有近50款ldo，基本涵盖了输出电压从0.9v到6v的大部分ldo。根据公司物料技术经理推荐，公司库里ldo品牌推荐遵循下面原则：
max iout 1.5a，当压差大于800mv时，优选ns、semtech、sipex；
当对压差要求小于800mv时，优选micrel、sipex、ti，linear可做为备选。
下面简要介绍几款在公司大量应用的ldo。
7.1.2930系列2930系列是公司用量非常大的一款ldo产品，在公司有一万多款单板都使用这系列的各型号ldo。主要生产厂家为micrel公司和sipex公司。
2930系列应用于大电流输出场合，很多时候可以替代dc-dc开关电源。主要有如下特点：
由于输出电流很大，所以2930的封装也比较大，并有大大的金属散热盘，可以直接焊接到pcb，或者加装散热片。
图7.1 2930的封装
2930的应用电路很简单，对于固定电压输出的只需外加一片输出电容即可。
7.2.1117系列1117系列作为一个低功耗正向电压调节器，在公司2300多种单板中使用。它可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1v。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。1117可调节，以选择1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.0v，3.3v及5v的输出电压。
1117为提供多种3引脚封装：sot-223，to-252，to-220及to-263。一个10uf的输出电容可有效地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uf电容。
1117的生产厂家有ns的lm1117和sipex的spx1117，它具有如下特性：
l0.8a稳定输出电流；
l1a稳定峰值电流；
l3端可调节(电压可选：1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.0v，3.3v及5v)；
l低静态电流；
l0.8a时低压差为1.1v；
l0.1%线性调整率/0.2%负载调整率；
l2.2uf陶瓷电容即可保持稳定；
l过流及温度保护；
l多封装：sot-223，to-252，to-220及to-263(现已提供无铅封装)。
1117内置有esr稳定电阻，因此外接电容可以选用陶瓷电容，这样很适宜低成本和小型化的应用。
1117有固定电压输出和可调电压输出。具体电路图如下：
图7.2 固定输出的1117
图 7.3 可变输出的1117
石英差分振荡器应用解析YSO230LR 高可靠性差分输出提升显卡性能
K40系列公布部分配置和起售价格 将于下个月发布
RFID系统中间件平台架构研究
解读2016LED显示屏市场发展趋势与未来方向
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LDO的应用与选型设计
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硅谷起源 仙童半导体辉煌曲折的发展史
关于汽车制动灯的控制系统
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