传统的线性稳压器输出电压条件很严苛,这才有了ldo类的电压转换芯片的诞生。在ldo的选择和设计上,常常令人犯难。首先我们不仅要考虑输入电压的类型和范围,例如稳压器前面的dc/dc变换器或者开关电源的输出电压。其他需要考量的因素也不少,输出电压、最大负载电流、最小压差、静态电流以及功耗等等。
ldo和dc/dc的抉择
众所周知dc/dc转换器的优点在于效率高、大电流输出、小静态电流。随着器件的集成度越来越高,不少新型的dc/dc转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器即可。美中不足的是这一类电源控制器的输出脉动和开关噪声偏大,成本也相对偏高。ldo需要的外接元件也不多,一般只需要一到两个旁路电容即可。相比dc/dc器件,ldo压降低、噪声低、成本也更低。 二者因为工作原理的不同,从效率上来说,dc/dc的效率会普遍的高于ldo。如果输入电压和输出电压很接近,那么ldo稳压器也能达到很高的效率;但如果并不接近,压降太大,消耗在ldo上的能量会增加不少,影响效率,这时候就需要考虑开关型dc/dc了。 效率只是一方面,dc/dc因为开关频率的原因,电源噪声会很大,而且远比ldo大得多。一旦涉及比较敏感的模拟电路,这时候就有必要牺牲效率来保证电源的纯净。尺寸也是在二者之间权衡时需要取舍的,dc/dc需要的外围器件例如电感、二极管、电容自不用说,有的还会需要mosfet,在外围器件的选择上比ldo复杂了太多同时尺寸也会更大。
旁路电容与ldo相辅相成
上面说到,ldo需要的外接元件也不多,一般只需要一到两个旁路电容即可。虽然简单,但是旁路电容却十分重要。旁路输出电容自带的寄生等效串联电阻(esr)会直接影响ldo控制环路的稳定性。
(超低压降稳压器,ti) 寄生等效串联电阻(esr)在ldo环路中添加一个零点的同时引入一个极点。当旁路电容寄生等效串联电阻较高时,会将零点转移至较低的频率,增大环路带宽导致极点增加更多的相移造成环路不稳定,表现为ldo产生振荡。ldo可以与很多小型的陶瓷电容配合使用,前提是这些电容的寄生等效串联电阻(esr)足够低。一般为了保证ldo控制环路的稳定性,电容至少1µf且寄生等效串联电阻最大不超过1ω。 另外输出电容会影响调节器对负载电流变化的响应,因为控制环路的大信号带宽有限,输出电容需要能够提供快速瞬变所需的绝大部分负载电流。因为电容可采用的电介质各不相同,其特性在直流表现上也不尽相同。有些直流偏置特性不佳的电介质就不适合与ldo一起使用。
噪声如何抑制?
ldo的噪声来源分为内部噪声与外部噪声,内部噪声可能来自电路的带隙基准源、放大器以及晶体管。器件这一部分抑制噪声通常不会表明在器件手册中,数据表中的psrr是ldo抑制来自输入的外部噪声能力。
(超低噪声ldo设计,adi) 为了抑制这种内部噪声,如果选择降低误差放大器的带宽,这样虽然可以有效地降低带隙基准源的高频噪声,但是降低的带宽一定会使ldo的动态性能降低。如果不希望ldo的动态性能降低,可以在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波,也可以在反馈电阻上增加前馈电容。 外部噪声的抑制更多的需要ldo在内部设计上做文章,也可以通过增加额外的滤波器/旁路电容来减小噪声。不过考虑到增加额外器件会增加成本与体积,合理且灵活的内部设计更重要一些。
小结
用于模拟和射频负载的ldo一般看重低噪声和高电源抑制能力,器件需要能够抑制住上游电源和下游负载的噪声,而且自身不增加噪声。这和模拟器件对噪声更敏感有关。而ldo用于数字负载尤其看重功耗,对噪声的要求就没有那么严格,为了响应软件导致的负载变化而发生的时钟频率变化对ldo的负载调整能力提出了非常严格的要求,这需要注意。 总的来看,如果dc输入电压是由经整流的ac电源提供,那么标准稳压器可能是更好的选择,毕竟成本低而且负载电流大;如果需要低功耗的精密输出电压,那ldo无疑是更合适的选择。
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