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一篇带给你LDO的原理及应用

低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。

作者: Firefly来源: 知晓编程|2021-06-09 09:08

01LDO定义

LDO即lowdropoutregulator,是一种低压差线性稳压器。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器,如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V转3.3V,输入与输出之间的压差只有1.7v,显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况,芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。

02LDO的特点

低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。

看了上面的定义,在不了解LDO结构的前提下,大家使用模电知识可以联想到下图低压降稳压器。

上图是最基本的稳压电路,核心器件是稳压管,它的稳压工作区间决定了输出稳压的范围,通过这种简单电路,可以实现小电流(百mA级别),小动态范围内的稳压。

把上面电路升级一下,如下图:

上述电路仅多了一个2N3055三极管,目的就是提升输出带载能力,同时三极管还引入了电压负反馈,起到稳定输出电压的作用。当输入电压Vin增大或输出负载电阻增大,输出电压Vout会瞬间增加,三极管的射极电Ve压随之增大,如果基极电压Vb不变,则Vb-Ve就会减小,进而输出电流减小,Vout减小。

上图只是简单基础的低压降稳压器。注意,和我们说的LDO,差了“线性”二字。这里看出上述电路输出电压Vout会受到Vbe电压波动的影响,稳定性较差。且输出电压不可调节。

03LDO电路

在上述电路的基础上添加“线性”因素,也就是引入运算放大器,加深负反馈的同时提高输出电压稳定性。这也就构成了我们所说的低压差线性稳压器。电路图如下

在基本稳压管调整电路基础上增加了运算放大器A和分压电阻采样网络R1和R2。当输入电压Vin增大或输出负载电阻增大,输出电压Vout会瞬间增加,通过R1、R2分压采样得到的电压也增加,由于是反向端输入,运放A的输出会相应减小,则Vb-Ve就会减小,进而输出电流减小,Vout减小。由上图电路可以知道,LDO是通过电阻分压的,也即是LDO只能降压,不能升压。而且电流不能过大。

04LDO应用

LDO的芯片有很多种,我使用过的有AMS1117,spx3819,TLV702x等等。下面我们以spx3819为例简单说一下LDO的应用。

spx3819的特点如下

  1. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区
  2. 低噪声:可能达到40uV
  3. 高精度:1%
  4. 电池反接保护
  5. 低压降:满载时为340mV
  6. 低静态电流:90uA
  7. 零关模电流
  8. 固定输出:1.2V,1.5V,1.8V,2.5V,3.0V,3.3V,5.0V

不同的LDO具有不同的性能,大家根据自己实际项目的需求选择。

spx3819的电路图如下,可以看到LDO外围电路十分简单。这也是LDO的优点。

spx3819提供了3种不同的封装,适用于很多场景。

它有输出额定电压版本,也就是上文说到的固定输出:1.2V,1.5V,1.8V,2.5V,3.0V,3.3V,5.0V,通过不同的型号后缀区分。

当然也提供了调节电压的版本,电路和输出电压公式如下

 

05功耗问题

上面我们讲解到LDO的原理,是通过电阻分压的,这使得LDO不适用于大电流的场景,一般不大于1A。这也引出了LDO绕不开的话题:功耗和散热问题。

选择LDO首先要考虑的是LDO的最大输入电压范围和LDO电流输出的能力

然后较大的电流或较大的LDO电压降会导致较高的组件功率损耗

下图显示的是在特定功率下,LDO电压降和LDO电流之间的关系

当LDO的功耗增加时,LDO封装的散热功能也必须能够配合,常见的封装如下

LDO的功耗是曲跨于LDO上的电压降乘以流过LDO的电流而决定,功率主要是损耗在LDO的导通组件,是硅晶变热

损耗的功率取决于IC封装、PCB布局、环境温度

例如:SOT23的封装,透视图如下

中心引脚连接到贴着晶粒的导线架。散热主要是向空中散热,通过引脚向PCB散热。

因为外侧引脚与硅晶粒之间的结合线很细,也就是下图的4个引脚,所以主要靠中间的引脚散热,上面也说过,中间引脚连接着导线架。所以可以设计中间的引脚的PCB比较宽。

还有SOP-08的封装,底层的铜线也可以用于散热。

如果按照下图设计,散热效果会更好

06总结

LDO的优点包括:

(1)结构简单,外围器件少,使用方便。

(2)无开关噪声,可应用于要求高精度低噪声的模拟电路中。

但缺点也同样明显:

(1)只能降压,不能升压。

(2)效率低,特别是输入电压高的情况下,一般负载电流小于1A情况下使用。

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【责任编辑:姜华 TEL:(010)68476606】

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