浅谈低压差线性稳压器的拓扑结构与应用.docx
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浅谈低压差线性稳压器的拓扑结构与应用
浅谈低压差线性稳压器的拓扑结构与应用
1低压差线性稳压器的发展现状及应用领域
随着现代科技的进步,便携式电子产品正朝着高效节能、短小轻薄的方向发展。
而传统的集成线性稳压器的输入/输出压差较高,这就大大限制了它在低压供电领域中的应用。
LDO是一种线性稳压器。
线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。
所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。
正输出电压的LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为PNP。
这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为200mV左右;与之相比,使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。
负输出LDO使用NPN作为它的传递设备,其运行模式与正输出LDO的PNP设备类似。
更新的发展使用MOS功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。
使用功率MOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。
如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。
近年来问世的低压差线性稳压器,它一经问世便显示出强大的生命力,并以低功耗、高效率、低噪声、高抗扰、体积小、重量轻等显着优点,LDO是lowdropoutregulator,意为低压差线性稳压器,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高出2v~3V以上,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,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。
针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。
由PNP型驱动管和NPN型调整管构成的准低压差稳压器(QLDO,QuasiLowDropoutLinearRegulator);由导通电阻非常低的功率场效应晶体管构成的超低压差线性稳压器(VLDO,VeryLowDropoutLinearRegulator)。
低压差线性稳压器特别适合采用电池供电的便携式电子产品,如笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机、数码摄录像机、数字视频光盘(DVD)、可视电话、全球定位系统(GPS)、机顶盒(STB)、便携式仪表、汽车电子设备等。
图1 线性稳压器的5种拓扑结构
a)传统的NPN型稳压器 b)准低压差线性稳压器(QLDO) c)低压差线性稳压器(LDO) d)PMOS超低压差线性稳压器 e)NMOS超低压差线性稳压器
2线性稳压器的拓扑结构
近几年来,随着半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。
由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。
例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。
其次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。
另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。
有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。
线性稳压器的5种拓扑结构如图1所示。
a图为传统的NPN型线性稳压器,其输入/输出压差超过2.5~3V,I为驱动电流(下同)。
b图为准低压差线性稳压器(QLDO),其压差可减小到0.9~1.5V。
c图为PNP型低压差线性稳压器(LDO),其压差仅为0.3~0.6V。
d图为由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器(VLDO),其压差可降至100mV左右。
e图为由N沟道MOS管构成的NMOSVLDO,其压差可低至几十毫伏。
上述5种线性稳压器的压差计算公式见附表1。
3低压差线性稳压器的主要特点
低压差线性稳压器的主要特点是可最大限度地降低调整管压降,从而大大减小了输入-输出压差,使稳压器能在输入电压略高于额定输出电压的条件下工作。
例如,传统的线性稳压器7805或LM317,要求输入电压必须比输出电压高出2.5~3V才能正常工作。
为获得+5V输出,就需要+8V的输入电压。
与之相比,新型低压差稳压器的输入电压只需高于+5.3V,即可获得+5V输出。
从电源效率上看,LM317工作在+3.3V、1A时的效率低于50%。
低压差线性稳压器与开关稳压器相比,主要有以下6个优点:
①稳压性能好;②低噪声(可达几十个微伏,无开关噪声)、低纹波(电源抑制比可达60~70dB),这对于无线电和通信设备至关重要;③低静态电流(超βLDO的静态电流可低至几微安至几十微安),低功耗,当输入电压与输出电压接近时可达到很高的效率;④具有快速响应能力,能对负载及输入电压的变化做出快速反应;⑤外围电路简单(仅用两只电容器),使用方便;⑥成本低廉。
低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较见表2。
低压差线性稳压器的应用
低压差线性稳压器的基本应用有以下5种。
1交流供电的低压差线性稳压器
采用交流供电的低压差线性稳压器电路如图2所示。
交流输入电压首先经过电源变压器降压,再通过整流滤波器送至低压差线性稳压器(LDO),最后获得直流稳压输出。
图2采用交流供电的低压差线性稳压器电路
2采用电池供电的低压差线性稳压器
采用电池供电的低压差线性稳压器电路如图3所示。
低压差线性稳压器在采用电池供电时更具有明显的优势。
图3采用电池供电的低压差线性稳压器电路
3开关电源的后置线性稳压器
开关电源的后置线性稳压器电路如图4所示。
开关电源以电源效率高而着称,但其输出噪声和纹波较大。
将线性稳压器接在开关稳压器后面构成的复合式稳压电源,兼有开关电源和线性稳压电源的优点,不仅电源效率很高,而且稳压性能好,输出噪声极低,可获得纯净的直流输出电压。
图4 开关电源的后置线性稳压器电路
4多路输出式低压差线性稳压器
多路输出式低压差线性稳压器电路如图5所示,利用4个使能端(Enable1~Enable4)可分别控制各路稳压输出的通、断。
通信系统中各子系统的模块通常是由各自的稳压器供电的,即使它们采用相同的电源电压。
图5 多路输出式低压差线性稳压器电路
5 低压差线性稳压器在微处理器电源系统中的应用
LP2951是SIipex公司推出的低压差线性稳压器系列产品,其最高输入电压为30V,最大输出电流为100mA。
固定输出式的输出电压有3种规格:
+5.0V、+3.0V和+3.3V。
它具有静态电流小(仅为75μA)、输出电压精度高(±0.5%)、电压调整率及负载调整率高(可达±0.05%),低压差(满载输出时的压降为380mV)、低温度系数(20×10-6/℃)等优点。
图6 由两片LP2951CN构成的微处理器电源检测及辅助输出电路
由两片LP2951CN(IC1、IC2)构成的微处理器电源检测及辅助输出电路如图6所示。
LP2951CN的输出电压为 +5V。
IC1为主电源,UO1为主输出,给μP供电。
IC2为辅助电源,UO2为辅助输出,可作为存储器的备用电源并给镍镉蓄电池(NiCad)充电。
LP2951CN的SNS(SNSES)为检测端,UOT接内部取样电阻分压器的抽头,FB为反馈端。
低压差线性稳压器使用注意事项
●使用低压差线性稳压器时不得超过芯片的最高输入电压(UIM)、最大功耗(PDM)、最高结温(TjM)等极限参数值。
最大功耗PDM=(UIM-UO)IOM。
一般讲,芯片的封装尺寸越小,功耗越低。
●输入电压必须大于预期的输出电压与输入-输出压差之和,即UI>UO+ΔU,否则低压差线性稳压器无法正常工作。
●为延长电池使用寿命,应选择相对于负载电流而言,静态电流IQ较小的LDO。
例如,为使IQ只增加0.02%的电池消耗,在100mA负载电流的情况下,采用IQ=200μA的VLDO比较合理。
某些器件是在室温条件下规定的,或只提供IQ与温度关系的典型曲线。
必要时可实测IQ值。
●输出电压的精度亦称允许偏差。
线性稳压器的输出电压精度一般不超过额定值的±5%。
对大多数应用而言,该精度已经足够了。
●由于输出电容是用来补偿LDO的,因此在选择输出电容器时应格外仔细。
一般情况下,采用等效串联电阻(ESR)较低的大电容器,可提高电源抑制比,降低噪声电压并改善瞬态响应。
但ESR过高或过低,也可能造成振荡。
●手机、MP3、游戏机及多媒体PDA等便携式设备,适配300~500mA的LDO。
为获得良好的音频质量,这种LDO在20Hz~20kHz的音频范围内应具有噪声电压低、电源抑制比(PSRR)很高的特性。
●为满足精密电子设备的供电要求,应尽量减小LDO的输出噪声。
LDO的输出噪声主要来源于基准电压电路,它所产生的噪声经过放大后送至输出端。
影响LDO输出噪声的其他因素还有LDO内部放大器的极点、零点和输出极点,外部输出电容的容量、输出电容的等效串联电阻(ESR)及负载值。
●在查阅LDO的产品资料时,应注意所给出精度指标是在室温下,还是在整个工作温度范围内,是满载条件下还是在中等负载或空载条件下。
●LDO有多种压差数据,应区分轻载、中等负载、满载条件下的压差最小值、典型值和最大值。
满载条件下压差的最大值最具有实际意义,设计时应以此为依据,确保低压差线性稳压器在最坏的情况下仍能正常工作。
●使用LDO时,需要装合适的散热器,以便将芯片内部产生的热量及时散发出去,避免因散热不良二导致管芯温度超过最高结温,使LDO无法正常工作,甚至损坏芯片。
●由LDO构成PC主板电源时必须具有良好的瞬态响应,以利于推动高速变化的负载,确保输出电压保持稳定。
●利用低压差线性稳压器专用设计软件(例如美国Micrel半导体公司开发的免费设计软件LDO-It),可实现LDO的优化设计。
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