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什么是LDO?低压差线性稳压IC器是什么?

LDO低压差线性稳压IC器

 

什么是LDO(低压差稳压IC)?

LDO稳压IC是一种线性稳压IC,可以在输入和输出电压之间的极低电位差下工作。

线性稳压IC是一种电源IC,可以从输入电压输出稳定电压,用于各种电子设备。由于LDO稳压IC可以在输入和输出电压之间的低电位差下工作,因此使用LDO稳压IC将有助于控制热量积聚并实现能量的有效利用。

 

 1线性稳压IC的基本作用

在电子设备中,线性稳压IC主要通过电池供电为后续系统产生必要的电压。线性稳压IC可以从输入电压输出较低的稳定电压。

 

2. 线性稳压IC特点

了解线性稳压IC的特性对于正确使用线性稳压IC是必不可少的。其代表性特征如下所述。

能够输出稳定电压(=低噪声电压):
线性稳压IC可以输出所需的稳定电压,而不受输入电压变化的影响。线性稳压IC的低噪声输出电压使其非常适合为传感器模块或其他易受噪声影响的设备供电。(线性稳压IC工作电压范围内的变化)

只需很少的外部元件:
IC通常需要外部元件(如电阻器或电容器)。
线性稳压IC最多需要两个外部元件:输入电容器和输出电容器。所需外部元件数量少,简化了外部元件和电源电路的设计,从而实现简单的电源电路配置。

当输入和输出电压之间的电位差很大时,热量积聚也会增加:
当输入和输出电压之间的差异(输入和输出电压之间的电位差)很大时,热量积聚成为一个问题。
因此,线性稳压IC最适合低功耗应用。

 

3. 需要使用线性稳压IC的情况

那么什么时候应该使用线性稳压IC呢?以下是代表性案例。

  • ・后续系统的工作电压较低时

线性稳压IC能够在其电源电压高于后续系统的工作电压时为后续系统提供理想电压。

  • ・需要稳定电源时

MCU、传感器和其他组件通常需要稳定的电压才能正常工作,这就是线性稳压IC的用武之地。

外部因素或电子设备中的单个组件引起电压波动或产生噪声并不罕见。这些是阻止MCU,传感器或其他组件正常运行的因素,并且可能导致它们在最坏的情况下发生故障。

单片机用于控制电子设备的处理器

单片机用于控制电子设备的处理器。微控制器根据输入信号作为电子设备的大脑进行操作

 

线性稳压IC是任何需要稳定且无纹波电源的电源管理系统中的关键组件。线性稳压IC的一个子集是一类称为低压差 (LDO) 稳压IC的电路。本文解释了LDO的基本原理,并介绍了维达电子的LDO技术,该技术解决了LDO电路的许多已知缺点。LDO既可以作为独立的封装器件,也可以作为知识产权(IP)内核,可以集成到更大的集成电路设计中。本文探讨了这类电路的基本原理,因此适用于独立器件和IP核。有几篇关于LDO的文章。虽然其中一些技术性很强,并且对数学分析很重,但其他一些是通用的,没有详细说明。本文试图取得适当的平衡,以吸引更广泛的受众。讨论了这些电路的几个基本方面,目的是给读者一个简单的概述,而不是深入研究复杂的细节和数学推导。本文的动机是使读者对LDO的主题感到满意,并为他们吸收更高级的主题做好准备。本文末尾对关键电气规格进行了检查,并与维达电子的 IP 核进行了对比,以展示维达电子提供的差异化。


线性稳压IC是一种接收可变输入电压并提供连续控制、稳定、低噪声直流输出电压的电路。通常,线性稳压IC需要在输入和输出之间产生较大的压降才能正常工作。这需要一个相对较高的电压输入电源,并导致低功耗效率。低压差(LDO)线性稳压IC是一种线性稳压IC电路,即使输出电压非常接近输入电压也能正常工作,从而提高其功率效率。

LDO有两个主要功能,第一个显然是将输入电源电压降低到负载所需的较低电压。第二个功能是提供非常低噪声的电压源,即使在输入电源上存在噪声或负载瞬变的情况下也是如此。事实上,这是它们相对于开关转换器的主要优势,开关转换器的噪声隔离和辐射是系统的主要问题。

 

电路操作基础

线性稳压IC的基本概念如图1所示。

线性稳压器基本概念

图1:线性稳压器基本概念

 

简单来说,线性稳压IC是提供给负载的有效阻抗(RLDO)(RLOAD),以便在RLDO上降低多余的电压,以保持负载所需的电压水平。

在许多系统中,提供输入电压的电源变化很大,在上述实现中,这将导致输出电压也相应地变化。因此,有必要添加一个闭环控制系统,以确保输出电压保持恒定,与输入线路电压无关。这种闭环反馈网络通常使用固定电压基准进行调节,固定电压基准通常由带隙基准电路提供。图2描述了闭环系统。

简化的线性稳压器

图2:简化的线性稳压器

 

线性稳压IC输出电压(VOUT)现在独立于输入源电压(VIN),并且与基准电压源直接相关。如果该基准电压源稳定且干净,则输出通常不受任何线路变化的影响。如果控制环路足够快,则稳压IC还可以在负载电流的突然瞬态变化期间保持稳定的输出电压。

稳压IC的设计使得RLDO上所需的最小压降很小(几百毫伏或更小)时,这被称为低压差线性稳压IC或简称LDO。

 

附加功能

除了上述LDO的基本功能外,还可以包括其他几个有用的功能。

 

启用/禁用

许多LDO都有一个控制输入来使能稳压IC或将其关断。这对于整体系统节能非常有用,其中稳压IC在系统空转或处于非活动状态时关闭。可以有更多中间功率状态,例如低功耗模式或超低功耗模式,其中LDO输出的维持以牺牲系统性能为代价,具体取决于系统要求。

在具有高电平有效逻辑的器件上,高逻辑电平使能稳压IC,而低输入则禁用稳压IC。维达电子的 LDO IP 核采用此约定。

 

软起动、软关断

为LDO上电是一项重要事件,必须注意确保输出电压以最佳速度上升。如果电压积聚得太快,它可以在输出端触发ESD箝位和/或在尝试为负载充电时驱动超过额定电流。为了防止这种不必要的情况,这可能会对电路造成暂时或永久性的损坏,因此可以控制输出的速率。这称为软启动。

Vidatronic 的 IP 核提供软启动功能,确保平稳、单调的启动。最大压摆率由内部限制,并在数据表的电气规格表中给出。

同样,当LDO被禁用时,输出电压将作为输出电容和负载电流的函数衰减。Vidatronic 的 IP 核具有在大多数 LDO 上通常找不到的附加功能。如果在输出完全衰减之前重新使能该器件,IP核内的压摆率功能将首先使输出电压降至零,然后再重新启动,从而消除启动毛刺或非单调性问题。

 

过流/过温停机

如果长时间暴露在超过额定温度和负载电流水平的条件下,可能会立即或长期损坏设备。为了防范这些风险,电源系统通常具有内置的过流和过热保护电路。可以从不同的制造商那里找到不同的实现。有些是简单的模拟电路,当达到设定的阈值时,它们会关闭器件,并要求在再次上电之前消除故障条件。更高级的实现包括定期轮询以检查错误是否存在或已删除。在持续故障的情况下,此轮询将无限期地继续。

对于 Vidatronic 的 IP 核,在发生过流的情况下,该器件将设置一个标志并启动软关断。电流降至零后,该器件将等待几毫秒的导通延迟时间,然后继续进行压摆率控制的启动。此操作将无限期地继续,直到故障消失。

在过热情况下,一旦器件的温度达到过温上升阈值,LDO将使用软关断程序关闭。一旦设备温度降至下降阈值以下,设备将在等待几毫秒后再次重新启动。在禁用设备然后重新启用之前,不会重置这些标志。

 

欠压检测和过压检测

输入电压可能会发生突然的偏移,如果超出可接受的值,可能会产生灾难性的后果。欠压(有时称为“掉电”)条件会迫使LDO输出低于其调节窗口,从而导致负载功能失效。过压是可靠性或安全工作区 (SOA) 问题的原因。

检测这些异常情况的发生对于设计整个系统中的故障安全限值非常有用。根据应用空间的不同,许多LDO制造商提供一种或两种电压偏移检测功能。对这种故障情况的常见反应之一是关闭稳压IC并标记系统。

响应欠压或掉电情况的电路通常称为欠压闭锁或UVLO。如果输入电压低于维达电子 IP 核调节所需的阈值,稳压IC将设置一个内部标志并继续执行软关断。必须启动上电复位,器件才能启动软启动。

如果输入电压超过可接受的限值,LDO的警告标志将提醒系统的监控器采取适当的纠正措施,以消除导致这些故障的源条件。例如,通过关闭LDO的主电源。

 

直流电气特性

LDO在选择时应仔细考虑多种直流电气特性,包括:输入电压范围、压差、静态和关断电流、最小“泄放”负载和调节精度。

 

输入电压范围

这是LDO电源输入处的允许电压范围。较宽的输入电压范围允许在电源变化很大的地方使用器件,例如电池供电型应用。

 

压差电压

顾名思义,压差是LDO的另一个重要参数。这是在驱动全额定电流时线路输入和输出电压之间允许的最小差值的量度。此数字越小,系统的电源效率就越高。大多数LDO的范围从70 mV到500 mV,用于更高性能的设计,这需要更大的电压裕量来实现改进的性能指标。

这是可能影响为输出功率输送级选择的电路架构的参数之一。较小的压差通常意味着p型输出调整元件,其固有尺寸大于给定负载电流下的相应n型级。

Vidatronic 的噪声 Quencher® IP 核采用电荷泵架构,在 100 mA 时提供低至 40 mV 的压差,从而在极低的电源电压下实现尽可能高的输出电压水平。

 

静态电流

系统电源效率和电池寿命受静态电流、IQ、关断或漏电流 ISD 的极大影响。通常需要数百 μA 或几 mA 范围内的较大 IQ 才能实现高 AC 性能指标。此外,这些通常随着负载电流而扩展,当LDO提供全功率时会变大。

Vidatronic 的 IP 核设计用于在满负载时将这些值保持在 100 μA 以下,使其成为高性能和低噪声电池供电应用的理想选择。Vidatronic 的关断电流小于 20 nA,即使在允许的最高结温下也是如此。

 

最小“泄放”负载

通常,LDO要求输出端的“泄放器”负载电流最小,以保持稳定。这是为了防止输出功率器件在内部使环路饱和。

维达电子的噪声净化器®技术消除了对最小负载的需求,从而保证了稳定性。LDO将在所有负载条件下保持稳定,直至最大额定电流。此功能有助于延长电池应用的电池寿命,也可用于 CMOS RAM 保活应用。此外,在零负载电流下的良好稳定性使系统能够继续为禁用负载运行,从而消除系统中的延迟和延迟。

 

输出精度和负载调整率

输出电压精度测量反馈环路的调节精度,负载调节指示稳压IC在处理负载电流变化时的驱动能力。

大多数LDO的精度在几%的范围内,负载调节范围在10-50 mV/A的范围内。相比之下,Vidatronic 的 LDO 提供业界领先的负载调节,< 2 mV/A。再加上出色的动态性能以及 1% 的一流输出精度,Vidatronic 的 IP 核非常适合需要高精度输出电压控制的应用。

 

散热注意事项

热考虑因素在任何电源系统中都至关重要,因为如果超过最大允许结温,它们可能会对器件造成不可逆转的损坏。过热保护电路通常包含在处理中到高功率电平的系统中。例如,Vidatronic 的一个 IP 核设计用于提供 300 mA 的连续电流。

最高环境工作温度将取决于负载电流和器件两端的压降。等式1用于根据负载条件计算器件的最大功耗。然后使用公式2得出最大结温,其中TAMB是最高环境温度,ƟjAMB是结到环境的热阻,由所选的特定封装决定。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-07 15:05