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什么是线性稳压器(LDO稳压电源管理IC)?

介绍

在本系列的上一卷中,我们向您简要解释了电源管理IC在世界上的使用位置和方式。

在本页中,我们将介绍一种称为线性稳压器的稳压器。

您还记得稳压器有两种类型吗:线性型和开关型?

线性型稳压器可以进一步分为两种类型:串联型,它将晶体管作为可变电阻器串联在输入和负载之间,以及并联型,它与负载并联插入晶体管。

在本讲座中,我们将仅关注串联型线性稳压器,因为这种类型的线性稳压器比使用非常有限的分流型更常用。现在让我们开始吧。

 

线性稳压器

最简单的稳压器称为3引脚稳压器,只需在VIN和GND引脚之间插入输入电容(CIN),在VOUT和GND引脚之间插入输出电容(COUT),即可输出稳定的固定电压。

那么,这些稳压器如何输出稳定的固定电压呢?

我们将描述线性稳压器包含哪些组件以及它们如何输出固定电压。

下面的图1显示了线性稳压器电路结构的简要说明。

线性稳压器的简化内部结构
图1.线性稳压器的简化内部结构
控制电路监视Vout并调整可变电阻器的电阻值,以便线性稳压器能够产生固定输出电压。


该图说明了控制电路对输出电压进行监控,并调节可变电阻的电阻值,以便IC能够输出设定的固定电压。例如,如果输入电压(VIN)是固定的,线性稳压器可以根据负载电阻值的变化率保持可变电阻值与负载电阻值之间的比率固定,从而保持稳定的输出电压。输入电压被两个电阻除以,因此线性稳压器产生的输出电压低于其输入电压。较高的输入电压和较低的输出电压之间的差异会产生热量,称为废热。流经负载电阻内部的电流继续流向可变电阻,在那里,电力被消耗掉,并产生一些热量。

图2说明了这些关系。例如,在负载电流为100mA的情况下,5 V输入和2 V输出稳压器内部消耗0.3W的0.5W输入电作为热量。

线性稳压器操作图像
图2.线性稳压器操作图像

 


线性稳压器的电路结构

线性稳压器有四个基本组件:输出驱动晶体管、基准电压单元、反馈电阻和误差放大器。图3显示了典型线性稳压器的基本结构。

线性稳压器的基本结构
图3.线性稳压器的基本结构


每个组件的角色如下:

1. 输出驱动晶体管

图3是采用MOS晶体管构建的线性稳压器的示例。该晶体管相当于图1所示的可变电阻。

如图2所示,负载和输入电流在100mA时相等,VIN引脚提供流经驱动晶体管的所有电流,并将VOUT引脚提供给负载。线性稳压器通过由反馈电阻、基准电压单元和误差放大器组成的控制电路(如图1所示)调节驱动晶体管的电阻,从而保持固定输出电压。

 

2. 反馈电阻

反馈电阻(RFB)以其用两个电阻(R1和R2)除以输出电压并将分压返回给误差放大器的作用而得名。分压称为反馈电压(VFB)。下标“FB”表示反馈。反馈电阻的作用是决定线性稳压器的固定输出电压电平,输出电压电平由R1和R2的电阻比决定。

输出电压范围由产品指定,在规定范围内,通过激光微调调整制造过程中制造的整个晶圆上每个晶圆芯片的R1和R2电阻比,可以产生输出电压。

此外,一些线性稳压器具有VFB引脚,用于连接最佳的外部反馈电阻,使用户能够灵活地设置输出电压。

 

3. 参考电压单元

有一些方法可以构建基准电压单元,其中大多数方法提供约1 V的输出电压电平。

用于基准电压单位的常规方法称为带隙基准电压源(BGR)。虽然这种方法具有良好的特性,但其电源电流和电路结构往往较大,因为它利用了双极晶体管的基极和发射极之间的电压。1.25V是BGR常用的输出电压电平。

与BGR不同,更多的电子设备使用基于CMOS的基准电压单元。基于CMOS的基准单元使用两个MOS晶体管的阈值电压之差作为基准电压。它具有小电路尺寸和极低的电源电流。其输出电压电平约为0.6至1.0V。图3中用电池符号表示。

参考电压单元可以保持一定的电压水平,尽管输入电压波动或环境温度变化。由于基准电压单元保持一定水平的基准电压,线性稳压器可以输出固定电压。

 

4. 误差放大器

误差放大器是一种放大两个输入端(正负)之间的电压差并输出放大电压的运算放大器。

在线性稳压器内部,正端接收反馈电压,负端接收基准电压。两个电压之间的误差在运算放大器内部被放大,放大后的电压被输出到可变电阻。这就是为什么该元件被称为误差放大器。

综上所述,线性稳压器包括一个由上述四个元件组成的负反馈电路,并通过负反馈控制使其输出电压恒定。负反馈控制将反馈电压与基准电压进行比较,并调节输出驱动晶体管的电阻,使差值变为零。

因此,在正常状态下,VREF和VFB保持相等。

该关系可以用以下等式表示:

  1. VFB=VREF    (1)
  2. VFB=VOUT×R2/(R1+R2)    (2)
  3. 将VFB的等式(1)合并到等式(2)中:
  4. VREF=VOUT×R2/(R1+R2)    (3)
  5. ∴ VOUT=VREF×(R1+R2)/R2    


该方程不考虑输入电压或负载电流(负载电阻)。它表示输出电压仅由基准电压和正常状态下反馈电压的电阻比决定。

根据这个等式,也可以说基准电压源(VREF)是决定线性稳压器特性的关键元件。

此外,电阻值的可变性并不重要,因为输出电压由R1和R2的电阻比决定。由于电阻器是制造的,并且位于半导体芯片内相当小的面积上,因此电阻比变得非常精确。

那么,线性稳压器如何控制驱动晶体管的电阻以输出稳定的电压,即使负载电流(负载电阻)或输入电压波动也是如此?

该机制可以从输出驱动器导通电阻和输出负载电阻比的角度来解释。

我们以一个线性稳压器为例,其规格如下:基准电压为1V,R1和R2之间的电阻相等,输出电压为2V。在5V输入和200Ω负载电流的情况下,稳压器将其输出驱动器的电阻控制在300Ω。换句话说,稳压器控制驱动器导通电阻和负载电阻之间的比率,以便将输出电压除以3:2。

 

负载电流波动的情况

负载电阻从200Ω变为20Ω的情况如何?稳压器将其输出驱动器电阻控制在300Ω至30Ω,以保持电阻比为3:2,并输出预设的2V电压。

 

输入电压波动的情况

那么,输入电压从5V变为4V的情况如何呢?如果保持初始电阻比,输出电压将变为1.6V。为了保持稳定的2 V电压,稳压器不仅将输出驱动器电阻控制在300Ω至200Ω而且还控制3:2至1:1的电阻比。

如上所示,即使在负载电流或输入电压变化的情况下,线性稳压器也能提供稳定的输出电压。输出稳定性水平定义为线路调整率和负载调整率。以下是详细的解释。

电压调整率 (ΔVOUT/ΔVIN):最大 0.2%/V (VSET + 0.5 V < VIN < 5 V)

负载调整率 (ΔVOUT/ΔIOUT): ±40 mV (1.5 V ≤ IOUT ≤ 100 mA)

 

线性稳压器的工作

根据图4,让我们检查线性稳压器的输出负载电阻变化时内部运行的流量。

线性稳压器在负载波动下的运行

线性稳压器在负载电流波动时的工作
图4.线性稳压器在负载电流波动时的工作


随着负载电阻的减小和负载电流的增加,输出电压和反馈电压同时降低。当反馈电压低于基准电压时,误差放大器的输出电压也会降低,从而降低驱动器的导通电阻。因此,输出驱动器导通电阻随负载电流的增加而减小,从而导致输出电压恢复其设定值。通过输出电压返回到设定值,反馈电压与基准电压一致。

相反,负载电流的减小会增加误差放大器和驱动器导通电阻的输出电压,因为它会提高输出和反馈电压。驱动器导通电阻随着负载电流的减小而上升,使输出电压恢复到其设定值。

 

LDO稳压器

顺便说一句,一些线性稳压器被归类为LDO稳压器。LDO是Low DropOut的缩写。“低辍学率”是什么意思?

LDO是什么意思
图5.“LDO”是什么意思?


线性稳压器的规格定义为压差电压 (VDIF)。压差是指线性稳压器在允许范围内产生设定输出电压所需的输入和输出电压之间的最小差值。线性稳压器将无法保持设定的输出电压,当输入和输出电压之间的差值小于压差时,输出电压将下降。

让我们以线性稳压器从电池接收电力为例。如果线性稳压器的输入电压超过设定输出电压和压差之和,则稳压器可以提供稳定的输出电压。因此,线性稳压器的压差越低,电池工作时间就越长。

那么,由DC/DC转换器供电的线性稳压器的源电压如何呢?DC/DC转换器被设置为输出略高于线性稳压器输出电压和压差之和的电压。在这种情况下,与使用压差为0.4V的线性稳压器相比,压差为0.2V的稳压器可以将功率损耗减半。简而言之,使用低压差稳压器可以降低功率损耗。请记住,将线性稳压器替换为压差为0.2V的稳压器,如果不调整DC/DC转换器的设定输出电压,就无法降低功率损耗。

这一优势使具有低压差稳压器或简称为LDO稳压器的线性稳压器与众不同。但是,LDO没有标准定义,因此因公司而异。因此,在许多情况下,LDO被用作任何类型线性稳压器的简要表达。

 

压差和输出电流

3.0V输出LDO,最大压差为0.23V (Iout = 150 mA)

压差和输出电流的图像
图6.压差和输出电流的图像


压差电压是在特定输出条件下确定的。例如,图6显示了输出电流为150mA时的压差。如上所述,驱动晶体管是一种可变电阻器。然后,让我们根据欧姆定律思考压差电压和输出电流之间的关系,将驱动器视为电阻器。

在本例中,压差的最小值为0.23V,该时刻的输出电流条件为0.15A。根据欧姆定律,驱动器电阻的计算公式如下:

R = V/I = 0.23/0.15 = 1.53Ω

该计算得出了LDO稳压器的最小驱动器电阻。
接下来,基于该电阻,我们计算在输入输出电压差为0.1 V的情况下的允许输出电流。

I = V/R = 0.1/1.53 = 0.0652A

计算结果表明,为了在3.1V输入下保持3.0V输出,该LDO稳压器的输出电流必须低于65mA。这也意味着,如果该LDO稳压器在3.1V输入下输出150mA,则输出电压将为2.87V。这将导致输出电压比输入电压低0.23V,设定输出电压比输入电压低0.13V。

图7用图表说明了输入和输出电压之间的关系。

压差与输出电流的关系
图7.压差与输出电流的关系


根据上述计算,并联连接驱动晶体管可以使该LDO稳压器在3.1 V时输出150 mA,因为它可以将驱动器的导通电阻降低一半,输出电流加倍。

然而,如图8所示,LDO稳压器电路的照片显示,大部分芯片区域由驱动器占据。

要使输出电流加倍或将压差减半,需要降低电阻。这可以通过在这个有限的空间内并联构建两个驱动晶体管来实现。

并联构建两个驱动器意味着驱动器面积和芯片面积增加一倍,从而导致价格上涨。监管机构的规格和价格之间需要保持平衡。

通用LDO稳压器芯片照片
图8.通用LDO稳压器芯片照片

 

结论

在本讲座中,我们解释了线性稳压器如何在输入电压或负载电流波动的情况下保持稳定输出电压的机制。

总之,线性稳压器监控输出电压,并通过负反馈电路调节内部驱动器的导通电阻,以保持稳定的输出电压。这种机制使线性稳压器能够输出稳定的电压,即使输入电压或负载电流波动导致输出电压与设定电压之间存在间隙。

此外,我们还介绍了一些显示线性稳压器输出稳定性的规格,例如输入调节、负载调节和压差,这些都是保持稳定输出电压所必需的。

这些规范与时间无关。

接下来,我们将解释瞬态规格、保持线性稳压器稳定运行的功耗限制、输入和输出电容器的作用等。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-16 14:42