當您在查找線性穩壓器時,經常面對無限多的產品型號,利用參數搜尋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?能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雜訊和很高的電源抑制比(PSRR)。如果設計採用電池供電,則穩壓器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夠滿足具體應用的元件了,但這尚未結束。在最終決定之前,還需要考慮以下5個因素:

  • 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,而非資料手冊測試資料,元件的負載瞬態響應如何?
  • LDO輸出紋波是否主要取決於低PSRR輸入,或者主要由LDO輸出雜訊決定?
  • 元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,線性穩壓器的有些表現可能使您感到陌生,需要花費額外的時間除錯電路板的故障,甚至需要重新設計。本文針對LDO的上述要點——啟動、接近最小壓差時的靜態電流、負載瞬態響應、PSRR和雜訊以及輸入保護,期望有助於您的線性穩壓器選擇和設計。

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搭配軟啟動功能。軟啟動能防止穩壓器在啟動輸出時造成輸入電源過載。軟啟動通常採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;電流軟啟動作業經由緩升或步進到該電流限值而實現。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升。電流軟啟動的優點是穩壓器輸入電流穩定上升,不會將負載啟動的瞬態電流傳遞到輸入。

當實現負載電路時,大家可能會注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個點。這是因為負載電路導通並嘗試在穩壓器處於限流的條件下啟動作業。如果負載電流超過軟啟動電流,負載本身將進入欠壓狀態,造成系統重設。隨著負載電流的開啟和關閉,這種週期會不斷持續。最後軟啟動電流達到足夠高的水準,能夠支援負載供電,釋放重設電路,並由負載電路正常喚醒。

電壓軟啟動

第二種軟啟動方法是緩升調節電壓。緩升調節電壓會在輸出電壓上產生單調陡坡,當下游電路啟動時不產生任何電壓瞬變。這樣也能防止負載多次進入重設模式,因為輸出電壓僅穿越負載欠壓閾值一次。

電壓軟啟動期間的突波電流取決於輸出電容和輸出電壓的變化斜率,再加上負載汲取的電流。典型情況下,按照突波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。將突波電流設置為小於最大負載電流的10%,為負載以及任何額外輸出電容所需的電流提供了餘裕。其缺點是輸入電流與負載變化有關,不能直接控制;優點是能夠避免系統多次重設。圖1比較電流軟啟動和電壓軟啟動。

20180821_Maxim_TA31P1 圖1:電流軟啟動和電壓軟啟動的比較

靜態電流與壓差

如果系統由電池供電,穩壓器的供電電流非常重要。負載電路可以短暫作業,然後長時間處於待機狀態,以節省功耗。此時,電池壽命在很大程度上取決於穩壓器和負載的靜態電流。如果是這種情況,則要考慮選擇具有最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,也會強制場效電晶體(FET)導通,盡可能地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時的潛在問題是,驅動穩壓器輸出FET的閘極驅動電路將消耗較大電流(圖2),而使得「待機模式」變為「電池快速放電模式」。

20180821_Maxim_TA31P2 圖2:在低壓差條件下,MG驅動阻抗造成靜態電流增加

即使是理想的IC設計,靜態電流在低壓差條件下增加的現象也並不罕見。小壓差的供電電流提高2倍很常見,有些設計甚至增加10倍或更多。有些元件在EC表或靜態電流與輸入電壓關係的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對應關係。但更多情況下,資料手冊提供的是高壓差下的供電電流資訊。

對於具體應用,如果低壓差條件下的靜態電流非常重要,應該選擇提供該資訊的LDO,或者進行實際測量,以確定性能滿足要求。

負載瞬態性能

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。隨著負載變化時,輸出FET閘極驅動需要隨之變化。而閘極驅動達到新水準所需的時間,通常決定了輸出電壓的瞬態欠衝(undershoot)或過衝(overshoot)。

滿載時的快速瞬變會造成最差情況下的瞬態欠衝。選擇穩壓器之前,務必在施加瞬態響應前開始載入電流。相較於從1%滿載作為初始條件,從10%滿載開始通常會帶來更好的結果;因為10%負載預偏置與1%負載預偏置相較,輸出FET閘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性能比較困難。

你可能會認為確保穩壓器輸出維持最小負載,就能夠規避較大的負載瞬變,但這並不一定都會是有效的解決方案。當穩壓器從滿載躍變到輕載時,往往會發生輸出過衝。而穩壓器從過衝狀態恢復的過程中,元件處於比較敏感狀態——此時的輸出FET完全未偏置。在此狀態下,如果出現另一次負載階躍,輸出則出現比第一次更嚴重的欠衝。

如果出現任何快速開啟、關斷負載的情況,最好在類似條件下檢查每個穩壓器的負載瞬態性能。圖3顯示負載瞬變在雙脈衝負載期間的降低情形。

20180821_Maxim_TA31P3 圖3:雙脈衝負載期間的負載瞬變輸出欠衝下降

雜訊與電源抑制比(PSRR)

顯而易見地,大多數設計用於低雜訊輸出的穩壓器也具有優異的雜訊與電源抑制比(PSRR)。無論何種原因,負載對電源紋波都非常敏感。

使用開關穩壓器運行時,PSRR比輸出雜訊問題更嚴重。例如,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雜訊非常敏感。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50VP-P,等效輸出雜訊大約15VRMS。而同一線性穩壓器在10Hz至100kHz頻寬範圍內的總輸出雜訊可能小於5VRMS,由於PSRR和輸入電壓紋波,使得輸出紋波產生的雜訊達到穩壓器本身雜訊的3倍,如圖4所示。

20180821_Maxim_TA31P4 圖4:輸出雜訊指標變差主要取決於PSRR

對於較高的輸出電壓,線性穩壓器的輸出雜訊可能成為PSRR性能的決定因素。這是因為分壓後的回饋輸入雜訊增大了。假如一個線性穩壓器將雜訊較高的升壓轉換器約17V輸出轉換為雜訊較小的16V電源,紋波小於100V。開關頻率處的PSRR為60dB,50mVP-P升壓轉換器紋波將衰減到50VP-P,或者輸出15VRMS。如果採用5VRMS低雜訊參考和回饋運算放大器輸入,我們來看一下回饋輸入產生的問題。如果回饋輸入穩壓至1.25V,電阻回饋網路將輸出設置為16V,那麼輸出雜訊將增加到5VRMS x (16V/1.25V),即64VRMS,這可能成為主要的雜訊來源。圖5顯示高壓輸出造成的輸出雜訊性能下降。

在查找線性穩壓器時,如果為雜訊敏感的負載供電,通常既需要考慮輸出雜訊,也需要考慮PSRR。

20180821_Maxim_TA31P5 圖5:高壓輸出造成的雜訊性能下降。

輸入保護

線性穩壓器的FET大多包含體二極體,該二極體可防止輸出比輸入高出0.7V以上。大多數情況下,該二極體不是問題,但在兩種情況下會引起麻煩。

反向電壓保護

有些情況下,輸入電壓可能接反,導致極性反轉,例如放置9V電池的兩個金屬觸點。儘管連接器能夠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接腳電壓低於接地電位,而不會汲取較大電流。為了達到這一目的,需要透過串聯開關將輸出FET的體二極體斷開。大多數穩壓器都包括二極體,防止任何接腳電壓低於接地電位,以防止接腳發生靜電放電,即ESD。為了實現反向電壓保護,也需要去除該二極體的影響,並採取不同的保護元件,參見圖6。

例如MAX1725是一款具有反向電壓保護的元件,允許輸入比接地電位低12V,不會汲取大電流。

20180821_Maxim_TA31P6 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。儘管效果相似,都是阻斷輸出FET體二極體的反向電流傳導,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況,例如,具有許多分佈式電源去耦電容的音訊電路,採用線性穩壓器供電。同時假設該線性穩壓器由大電流降壓轉換器供電,在關斷狀態下,轉換器將其輸出短路至接地。我們很自然地會發現,在第一次關斷事件期間,由於負載電容網路同時透過線性穩壓器的體二極體進行放電,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降低到輸出電壓以下時,斷開體二極體,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。值得注意的是,反向電流保護僅僅消除從輸出到輸入的電流,但在輸入接腳電壓低於接地電位時並未阻斷電流,就像反向電壓保護那樣。例如MAX8902是一款具有反向電流保護的元件,在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。

20180821_Maxim_TA31P7 圖7:反向電流保護

總結

本文討論線性穩壓器的一些特殊情況,這些問題可能無法從資料表或參數搜尋中發現。有時候不太容易確定每款線性穩壓器會出現哪種狀況,但瞭解潛在問題後,就能為您查找正確的元件帶來好處。