LDO :LOW DROPOUT VOLTAGE

 

低压差线性稳压器,故名思意,为线性的稳压器,仅能使用在降压应用中。也就是输出电压必需小于输入电压。

 

优点:稳定性好,负载响应快。输出纹波小。

 

缺点:效率低,输入输出的电压差不能太大。负载不能太大,目前最大的 LDO 为 5A(但要保证 5A 的输出还有很多的限制条件)

 

DC/DC:直流电压转直流电压。严格来讲,LDO 也是 DC/DC 的一种,但目前 DC/DC 多指开关电源。

 

具有很多种拓朴结构,如 BUCK,BOOST。等。。

 

优点:效率高,输入电压范围较宽。

 

缺点:负载响应比 LDO 差,输出纹波比 LDO 大。

 

DC / DC 和 LDO 的区别是什么?

DC/DC 转换器一般由控制芯片,电杆线圈,二极管,三极管,电容构成。DC/DC 转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC 转换器分为三类:升压型 DC/DC 转换器、降压型 DC/DC 转换器以及升降压型 DC/DC 转换器。根据需求可采用三类控制。PWM 控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM 控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM 转换型小负载时实行 PFM 控制,且在重负载时自动转换到 PWM 控制。目前 DC-DC 转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。

 

LDO 是 low dropout voltage regulator 的缩写,整流器。

 

DC-DC,其实内部是先把 DC 直流电源转变为交流电电源 AC。通常是一种自激震荡电路,所以外面需要电感等分立元件。

 

然后在输出端再通过积分滤波,又回到 DC 电源。由于产生 AC 电源,所以可以很轻松的进行升压跟降压。两次转换,必然会产生损耗,这就是大家都在努力研究的如何提高 DC-DC 效率的问题。

 

1.DCtoDC 包括 boost(升压)、buck(降压)、Boost/buck(升 / 降压)和反相结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点,随着集成度的提高,许多新型 DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容;但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

 

2.LDO:低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本,最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。新型 LDO 可达到以下指标:30μV 输出噪声、60dB PSRR、6μA 静态电流及 100mV 的压差。LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了 P 沟道场效应管,而不是通常线性稳压器中的 PNP 晶体管。P 沟道的场效应管不需要基极电流驱动,所以大大降低了器件本身的电源电流;另一方面,在采用 PNP 管的结构中,为了防止 PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力,必须保证较大的输入输出压差;而 P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积,极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时, LDO 是最好的选择,可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为 3V 电压的应用中大多选用 LDO,尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用,但是 LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

 

什么是 LDO

便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为 4.2V,放完电后的电压为 2.3V,变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净(无纹波、无噪声),以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。

 

一、LDO 的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图 1-1 所示,该电路由串联调整管 VT、取样电阻 R1 和 R2、比较放大器 A 组成。

 

图 1-1 低压差线性稳压器基本电路

 

取样电压加在比较器 A 的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压 Uref 相比较,两者的差值经放大器 A 放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压 Uout 降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压 Uout 超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

 

应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用 MOSFET。

 

二、低压差线性稳压器的主要参数

1. 输出电压(Output Voltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数,也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便,而且由于输出电压是经过厂家精密调整的,所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值,不可能满足所有的应用要求,但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

 

2. 最大输出电流(Maximum Output Current)

用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常,输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3. 输入输出电压差(Dropout Voltage)

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。比如,5.0V 的低压差线性稳压器,只要输入 5.5V 电压,就能使输出电压稳定在 5.0V。

 

4. 接地电流(Ground Pin Current)

接地电路 IGND 是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流,但是采用 PNP 晶体管作串联调整管元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

 

5. 负载调整率(Load Regulation)

负载调整率可以通过图 2-1 和式 2-1 来定义,LDO 的负载调整率越小,说明 LDO 抑制负载干扰的能力越强。

 

图 2-1 Output Voltage&Output Current

 

 

 

式中

△Vload—负载调整率

Imax—LDO 最大输出电流

Vt—输出电流为 Imax 时,LDO 的输出电压

Vo—输出电流为 0.1mA 时,LDO 的输出电压

△V—负载电流分别为 0.1mA 和 Imax 时的输出电压之差

 

6. 线性调整率(Line Regulation)

线性调整率可以通过图 2-2 和式 2-2 来定义,LDO 的线性调整率越小,输入电压变化对输出电压影响越小,LDO 的性能越好。

 

 

 

△Vline—LDO 线性调整率

Vo—LDO 名义输出电压

Vmax—LDO 最大输入电压

△V—LDO 输入 Vo 到 Vmax'输出电压最大值和最小值之差

 

7. 电源抑制比(PSSR)

LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR 反映了 LDO 对于这些干扰信号的抑制能力。

 

三、LDO 的典型应用

低压差线性稳压器的典型应用如图 3-1 所示。图 3-1(a)所示电路是一种最常见的 AC/DC 电源,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。在该电路中,低压差线性稳压器的作用是:在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。

 

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器,如图 3-1(b)所示。低压差线性稳压器的功率较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时,由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。

 

众所周知,开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,如图 2-3(c)所示,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。

 

在某些应用中,比如无线电通信设备通常只有一足电池供电,但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此,要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图 3-1(d)所示。