【科普贴】LDO电源详解
一、 LDO结构和工作原理
LDO:全称是(Low Dropout Regulator)低压差线性稳压器。其中核心部件是工作在线性区域的调整管。如下图中的VT(MOS管),LDO由VT、放大器、反馈电阻等部分组成。
如上图所示,通过R1和R2电阻对Vout输出电压进行分压采样,然后和LDO内部的参考电压Vref进行比较,差值经过放大器,放大后控制驱动VT。当Vout减小时,电阻分压采样值和Vref的差值变大,放大器的输出电压变大,使VT压降变小。当Vout增加时,电阻分压采样值和Vref的差值变小,放大器的输出电压变小,使VT压降变大。通过上述,使Vout稳定维持在设定值。
LDO可以通过调节R1和R2电阻值,来实现对Vout值的设定。当前市面上的LDO根据输出电压是否可调分为两种。输出电压不可调的,通常是将R1和R2电阻集成在内部。输出电压可调的,通常引出Vref(Adj)脚,通过外部反馈电阻进行调节。
LDO的工作原理。从本质上来说是基于反馈的原理。负载变化,输入电压的变化等因素对Vout的影响都会通过反馈电路输入到放大器的输入端,并通过放大器的输出,将Vout调整成设定值。
二、 LDO的特性参数
1、 输入电压
基于制造工艺的差异,所有器件的输入电压都有一个范围,不同的LDO的输入电压范围差异很大,比如贝岭公司的BL1117最大输入电压为12V。而长电的CJ78L05最大输入电压为30V。在设计的时候根据自己实际使用场景进行选型即可。
2、 输出电压
输出电压是LDO重要的参数之一。上文提到过,当前市面上的LDO根据输出电压是否可调分为两种,两者的优劣势如下:
固定输出电压的LDO,优势在于不要外部反馈电阻,输出电压精准。缺点是可以选择的输出电压种类少。对于固定输出的LDO,其精度可以从规格书上直接获取。
可调输出电压的LDO,优势在于可以根据规格书上提供的Vref参考电压,调节出自己想要的电压。对于一些特殊场景的电压使用需求非常友好。劣势在于需要额外增加电阻,因为电阻存在精度差异,Vref也存在精度差异,两者配合使用,往往导致可调电压的LDO精度较差。在设计的时候如想获得较高的精度建议选择固定输出电压的LDO
当然在某些场合,可调电压的LDO有很好的设计灵活性。如设计需求要求输出1.8V时,但当LDO器件与耗电器件距离比较远,需要考虑PCB走线上的压降,通常需要输出电压高于1.8V。这时就可以灵活的将LDO输出电压调节高于1.8V,从而抵消PCB走线压降带来的影响。
下图是BL1117关于输出电压的规格参数,BL1117根据后缀区分不同类型的输出电压,既有固定输出电压的LDO,也有可调输出电压的LDO,它们的规格书是集成在一起的。
3、 输出电流
输出电流决定了LDO的器件成本和封装体积,封装体积越大,往往输出电流较大。与DCDC不同,LDO输出电流较DCDC往往偏小。
值得注意的是,输出电流,不是LDO选型的关键因素,LDO的选型往往和功耗和温度有很大关系,下文会详细介绍。
4、 输入输出电压差
压差Dropout是LDO选型时重要参数,器件资料中,压差参数往往是以输出电流为条件定义的,输出电流越大,压差越大。不同LDO的Dropout参数差别很大,一般而言,当LDO内部的调整管选用MOS管时,往往能获得较小的输入输出压差。
这个地方说明一下,器件手册上的输入输出压差指的是,满足Vout输出电压要求,Vin的最小输入电压等于Vout输出加上压差(VINmin=Vout+Vdrop)。以BL1117 LDO为例,比如LDO设计输出电压是3.3V@1A那么Vin最小要大于4.8V(3.3V+1.5V=4.8V)。
如下是BL1117在不同输出电流情况下的压差和最大的输出电流,供参考。
5、 功耗
LDO最主要的缺点是功耗偏大。
对于LDO而言,输入输出间的压差不可以避免,且这种压差全部转换成热能。比如LDO的Vin=5V,Vout=3.3V,工作电流I=1A,那么在LDO上产生的功耗P=(Vin-Vout)*I,即P=(5-3.3)*1=1.7W。
这个功耗甚至超过了输出20A的DCDC电路所产生的功耗。所以在LDO电路设计中,虽然输出电流不大,但是不能忽略散热问题。为了提高散热功能,很多LDO都提供专门的散热焊盘,该焊盘位于器件的腹部,来提高散热的能力。
注意散热焊盘需要多打地孔与PCB板子的GND连接到一起,通过整体PCB的GND进行散热。
6、 线性调整率
线性调整率(Line Regulation)是指,在某种负载电流的条件下,当输入电压发生变化时,对输出电压的变化量。LDO手册上线性调整率参数,往往是以确认的负载电流以及确认的电压输入变化量作为条件。线性调整率越小,输入电压变化对输出电压的影响越小,LDO的性能越优异。
如下是BL1117 LDO的线性调整率
7、 负载调整率
负载调整率(Load Rehulation)是指,在某种输入电压的测试条件下,当负载电流发生变化时,对输出电压的变化量。LDO手册上负载调整率参数,往往是以确认的输入输出电压以及确认的负载电流变化量作为条件。
负载调整率越小,负载电流变化对输出电压的影响越小,LDO的性能越优异。在负载变化较大的应用中,负载调整率时LDO选型的重要参数。
如下是BL1117 LDO的负载调整率
8、 静态电流
静态电流是指除了输出电流以外,在LDO器件内部所消耗的电流。通常负载电流越大,静态电流越大。
9、 温度
对于集成电路器件来说,资料上通常会给出几个温度,下面我们分别说一下几个温度
Ambient Temperature(Ta):环境温度,指器件工作时候允许的环境温度,用Ta表示。
Storage Temperature(Ts):储存温度,指器件存放时候允许的环境温度,用Ts表示。
Operating Junction Temperature(Tj):节点(结点)温度,指器件内部PN节的温度,用Tj表示。
Thermal Resistance(θjc):指器件内部节点(结点)(PN节)到器件外壳的热阻参数,用θjc来表示。
Thermal Resistance Junction-to-Ambient(θja):指器件内部节点(结点)(PN节)到环境的热阻参数,用θja来表示。
如下是结温环温的热阻的定义
如下是BL1117关于温度的相关参数,封装的不同,热阻参数也是不同。
通过上述参数,基于热阻参数θja、最大功耗Pmax、环境温度Ta、可以计算出器件工作时的结温:Tj=Ta+Pmax*θja。
同理通过上述方法可以计算出最大功耗和最大的电流。比如使用BL1117-1.8V(SOT-223)进行5V->1.8V,LDO工作的环境温度为65℃,Pmax=(Tj-Ta)/θja=(125-65)/136=441.2mW,则最大电流Imax=441.2mW/(5-1.8)=137.8mA
在LDO电源设计中,温度是重要的参数,在选型中,同一型号的器件,往往有商规和工规两种可供选择,区别在于工作温度范围不同。
对于器件工作温度范围的定义,不同厂商定义方式不同,有的使用结温(Tj)来进行定义,有的使用环境温度来定义,也有同时存在的,如同时存在,建议按照结温(Tj)进行计算,在阅读规格书的时候,需仔细分清楚。
在设计的需要注意,θja取决于器件封装,散热方式等因素,而散热方式又取决于单板的热设计,因此很多厂商会给出θjc的参数,而器件外壳到环境的热阻参数θca由散热方式决定,通过这种方式计算的结温往往更准。
在设计的时候,其核心诉求往往是最大输出电流,通过上述的方式的计算结温的公式,其实能看出,修改LDO上的压降也可以做到增大输出电流,降低结温的目的。降低LDO压降方法1)修改输入Vin电压,2)在输入上串入二极管,通过二极管的压降,降低Vin将热量转移到二极管上。
三、 LDO的设计要点
1、 分压电阻选择
在可调输出的LDO中,分压电阻决定了输出电压值,在设计中需要注意,分压电阻越小,电阻功耗则越大,而分压电阻太大,又不能满足LDO偏置电流的要求。
通常器件手册中会给出分压电阻的建议值。大家按照建议值设计即可,如需要设置特殊输出电压,在手册中找到相近的电压设置电阻,使用相同量级的电阻即可。
实际的反馈电阻选型其实是由最小负载电流决定的,以BL1117 LDO为例,Imin最大是10mA,为了满足最小负载电流(>10mA)的要求,R1建议为125ohm或更低。由于BL1117-ADJ能在2mA左右的负载电流下保持自身稳定,R1不允许高于625ohm。
2、 Vref滤波
根据LDO的工作原理可知,Vref(Vadj)(基准电压)的稳定性与LDO输出的纹波和噪声密切相关。
为了减少器件的面积,很多LDO中不提供对Vref(Vadj)pin的滤波电容。在这种情况下通常在Vref(Vadj)引脚附近添加对地10uf电容,以保证Vref低噪声和低纹波。
滤波电容的选型原则,以BL1117-ADJ为例,电容的阻抗在纹波的频率范围内小于R1反馈电阻值,这样可以防止纹波被放大,由于R1通常在100Ω~500Ω的范围内,Cadj的阻抗应满足如下公式:1/(2πf*Cadj)<R1。其中的f的频率是纹波的频率
3、 压降
压降(Dropout)参数上文有描述,但在设计中还是要预留裕量,压降参数和两个因素有关系:负载电流、工作温度。负载电流越大,工作温度越高,压降越大。
下图是BL1117-Adj输出电流和压降(Dropout)的关系图
4、 电流降额
随着电源技术的发展,市面上出现很多支持较大电流的LDO芯片。但是无论LDO技术如何更新,其功耗始终是压差(Dropout)与输出电流的乘积,电流越大,功耗必然越大。所以在实际的使用的过程中需要注意热设计,LDO的周围尽量不要放置其他发热器件。
如上文提到,输出电流决定了功耗,功耗又影响结温,所以在设计时候,进行LDO选型需要留有一定的裕量。
5、 纹波抑制比
纹波抑制比(PSRR),反映了LDO对于干扰信号的抑制能力,也有手册上把它称作SVR(如BL1117上称为SVR。LM1117上称为PSRR),其实是一个意思,通常器件手册上会提供纹波抑制的数据,并给出测试条件。
计算公式如下
其中Ripple_in为输入电压纹波的峰值电压,Ripple_out为输出电压纹波的峰值电压。以BL1117为例,通过LDO可以将输入纹波衰减1000倍。
注意:PSRR有效作用频率在100KHz以内,高频段能滤波能力减弱。如下图示意。
6、 效率计算
LDO的输入功率Pin除以输出功率Pout称作效率(静态电流较小,通常忽略)。即η=Pin/Pout,因为LDO的输入输出电流一致,所以LDO的效率其实就是输入输出的电压比。想要提供效率,尽量在满足压差(Dropout)条件下,降低输入电压。
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