關於線性穩壓器的五個設計細節

摘要 : 線性穩壓器(LDO)看起來簡單，但很多情况下LDO的性能與您的理解相差甚遠。本文探討了5種情况，包括啟動、接近最小壓差時的靜態電流、負載瞬態響應、PSRR和噪聲，以及輸入保護。理解這些內容有助於改善產品選型和調試。

引言
查找線性穩壓器時，面對無限多的產品型號，利用參數搜索工具可以把選擇範圍縮小到少數幾個，看起來非常簡單。需要什麼樣的輸出電壓？負載電流是多少？承受的輸入電壓範圍如何？穩壓器需要工作在什麼壓差下？最大輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？接下來是細節處理。如果負載對電源波動非常敏感怎麼辦？可能要求極低的輸出噪聲和很高的PSRR。如果設計采用電池供電，則對靜態電流的要求也會非常嚴格。
現在，您已經將範圍縮小到那些能够滿足具體應用的器件。但這並沒結束。在最終决定之前，以下5個因素還需要考慮。

• 穩壓器如何啟動？
• 接近最小壓差時，靜態電流是否依然保持在非常低？
• 對於實際負載，而非數據手册測試數據，器件的負載瞬態響應如何？
• LDO輸出紋波是否主要取决於PSRR，或者主要由LDO輸出噪聲决定？
• 器件關斷狀態下的參數如何？
為什麼這些問題如此重要？實際應用中，線性穩壓器的有些錶現可能使您感到很陌生，需要花費額外的時間診斷電路板的故障，甚至需要重新設計。
本應用筆記對LDO的上述要點進行了闡述。希望有助於您的線性穩壓器選型和設計。
1.啟動
大多數穩壓器都配備了使能輸入，用於控制穩壓器的上電或關斷，以節省功耗。帶有使能輸入的穩壓器通常也帶軟啟動功能。軟啟動可防止穩壓器打開時造成輸入電源過載。軟啟動通常采用以下兩種方式之一。
電流軟啟動
第一種方法是電流軟啟動。大多數穩壓器具有電流限值；電流軟啟動是緩昇或步進到該電流限值。由於輸出電容充電量遠遠小於最大負載電流，軟啟動使得輸出電壓緩慢上昇。電流軟啟動的優點是穩壓器輸入電流穩定上昇，不會將負載啟動的瞬態電流傳遞到輸入。
使能負載時，大家可能會注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個點。這是因為負載電路打開並嘗試在穩壓器處於限流的條件下啟動工作。如果負載電流超過軟啟動電流，負載本身將進入欠壓狀態，造成複比特。隨著負載電流的打開和關閉，這種循環會不斷持續。最後軟啟動電流達到足够高的水平，能够支持負載供電，釋放複比特，負載電路正常喚醒。
電壓軟啟動
第二種軟啟動是緩昇輸出電壓。緩昇輸出電壓會在輸出電壓上產生單調變化，當下遊電路開啟時不產生任何電壓瞬變。這樣也能防止負載多次進入複比特狀態，因為輸出電壓僅穿越負載欠壓門限一次。
電壓軟啟動期間的浪湧電流取决於輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負載吸收的電流。典型情况下，按照浪湧電流大約為最大額定輸出電流的1%至10% (使用推薦的最小輸出電容)來設置輸出電壓斜率。將浪湧電流設置為小於最大負載電流的10%，為負載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點是輸入電流與負載變化有關，不能直接控制；優點是能够避免系統多次複比特。
圖1 所示為電流軟啟動和電壓軟啟動對比。
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圖1. 電流軟啟動和電壓軟啟動對比
2.靜態電流與壓差
如果系統由電池供電，穩壓器的電源電流非常重要。負載電路可短暫工作，然後長時間處於待機狀態，以節省功耗。此時，電池壽命很大程度上取决於穩壓器和負載的靜態電流。如果是這種情况，則要考慮選擇低靜態電流的線性穩壓器。
假設隨著電池電量的消耗，使得輸入與輸出之間的壓差達到很小的狀態。此時的線性穩壓器，即使負載電流非常小，也會强制FET導通，最大程度地减小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時的潜在問題是，驅動穩壓器輸出FET的栅極驅動電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機模式”變為“電池快速放電模式”。
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圖2. 最低壓差條件下，MG驅動阻抗造成靜態電流增大。
即使很好的IC設計，靜態電流在最低壓差條件下增大的現象也並不罕見。小壓差下的電源電流提高2倍很常見，有些設計甚至增大10倍或更多。有些器件在EC錶或靜態電流與輸入電壓關系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對應關系。但更多情况下，數據手册給出的是叫高壓差下的電源電流。
對於具體應用，如果低壓差條件下的靜態電流非常重要，應選擇提供該信息的LDO，或者進行實際測量，確定性能滿足要求。
3.負載瞬態響應
負載快速變化期間，多數穩壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩壓範圍內。負載變化時，輸出FET栅極驅動需要隨之變化。而栅極驅動達到新水平所需的時間决定了輸出電壓的瞬態下沖或過沖。
滿載時的快速瞬變會造成最差情况下的瞬態下沖。選擇穩壓器之前，須務必檢查瞬態響應。與從1%滿載作為初始條件相比，從10%滿載開始通常會給出更好的結果；因為10%負載預偏置與1%負載預偏置相比，輸出FET栅極電壓更接近其最終值。負載從空載變為滿載，要想獲得較好的負載瞬態響應比較困難。
保證穩壓器輸出負載最小在一定程度上可以規避大的負載瞬變，但這不是有效的解决方案。當穩壓器從滿載躍變到輕載時，往往會發生輸出過沖。而穩壓器從過沖狀態恢複的過程中，器件處於比較敏感狀態 —— 此時的輸出FET完全沒有偏置。這種狀態下，如果出現另一次負載階躍，輸出則出現下沖，比第一次更為嚴重。
如果存在任何快速開啟、關斷負載的情况，最好在類似條件下檢查每個穩壓器的負載瞬態響應。(圖3)所示為雙脈沖負載瞬變期間的性能。
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圖3. 雙脈沖負載瞬變時的輸出下沖。
4.噪聲與電源抑制比(PSRR)
顯而易見，大多數設計用於低噪聲輸出的穩壓器也具有優异的PSRR。無論何種原因，負載對電源紋波都非常敏感。
使用開關穩壓器時，PSRR比輸出噪聲問題更嚴重。比如，一個線性穩壓器的前端使用了降壓型調節器產生的電壓作為輸入，而其輸出端的負載又對噪聲非常敏感。如果降壓型調節器的紋波為50mVP-P @ 100kHz，線性穩壓器在100kHz下的PSRR為60dB，則輸出紋波為50UVP-P，等效輸出噪聲大約15uVRMS。而同一線性穩壓器在10Hz至100kHz帶寬範圍內的總輸出噪聲可能小於5uVRMS，由於PSRR和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產生的噪聲達到穩壓器本身噪聲的3倍，如(圖4)所示。
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圖4. 輸出噪聲指標變差主要取决於PSRR。
對於較高的輸出電壓，線性穩壓器的輸出噪聲可能成為PSRR的决定因素。這是因為分壓後的反饋輸入噪聲增大了。假如一個線性穩壓器將噪聲較高的昇壓轉換器的17V輸出轉換為噪聲較小的16V電源，紋波小於100uV。開關頻率處的PSRR為60dB，50mVP-P昇壓轉換器紋波將衰减到50uVP-P，或者輸出噪聲15uVRMS。如果采用5uVRMS低噪聲基准和反饋運放輸入，我們來看一下反饋輸入產生的問題。如果反饋輸入調整在1.25V，電阻反饋網絡將輸出設置為16V，那麼輸出噪聲將增大到5uVRMS x (16V/1.25V)，即64uVRMS，這可能成為主要的噪聲源。(圖5)顯示了高壓輸出造成的輸出噪聲性能下降。
在查找線性穩壓器時，如果為噪聲敏感的負載供電，通常既需要考慮輸出噪聲，也需要考慮PSRR。
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圖5. 高壓輸出造成的噪聲性能下降。
5.輸入保護
線性穩壓器的輸出調整管大多包含體二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出0.7V以上。大多數情况下，該二極管不是問題，但在兩種情况下會引起麻煩。
反向電壓保護有些情况下，輸入電壓可能接反，導致極性反轉，比如放置9V電池的兩個金屬觸點。盡管連接器能够防止電池永久性反接，但在用戶更換電池時會有幾秒或更長時間的反向電壓。
反向電壓保護允許輸入引脚電壓低於地電比特，不會吸收顯著電流。為達到這一目的，需要通過串聯開關將輸出FET的體二極管斷開。大多數穩壓器都包括二極管，防止任何引脚電壓低於地電比特，防止引脚發生靜電放電，即ESD。為實現反向電壓保護，也需要去除該二極管的影響，並采取不同的保護器件，參見(圖6)。
MAX1725是一款具有反向電壓保護的器件，允許輸入比地電比特低12V，不會吸收大的電流。
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圖6. 反向電壓保護。
反向電流保護線性穩壓器的反向電流保護很容易與反向電壓保護混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出FET體二極管的反向電流傳導，但控制方法完全不同。(圖7)所示為反向電流保護工作原理。
對於較高容性負載的情况，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩壓器供電。同時假設該線性穩壓器由大電流降壓轉換器供電，關斷狀態下，轉換器將其輸出短路至地。我們會毫不奇怪地發現，在第一次關斷事件期間，由於負載電容網絡同時通過線性穩壓器的體二極管進行放電，線性穩壓器可能被損壞。
具有反向電流保護的線性穩壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時，斷開體二極管，可以避免這一問題。如果輸出電壓之前在穩壓範圍內，輸出FET將導通，在觸發保護電路之前，會有少量反向電流流通。注意，反向電流保護僅僅消除從輸出到輸入的電流，但在輸入引脚電壓低於地電比特時並未阻斷電流，就像反向電壓保護那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護的器件，在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。
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圖7. 反向電流保護。
總結
我們以上討論了線性穩壓器的一些特殊情况，這些問題可能在數據手册或參數搜索中發現不了。有時候不太容易確定每款線性穩壓器會出現哪種狀况，但了解潜在問題就為您查找正確的器件提供了很大優勢。