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01 低壓差（LDO）穩(wěn)壓器介紹 1-1.穩(wěn)壓器IC類型 穩(wěn)壓器IC大致分為將直流電壓轉(zhuǎn)換為所需直流電壓的IC，以及將交流電壓轉(zhuǎn)換為所需直流電壓的IC。用于DC-DC轉(zhuǎn)換的穩(wěn)壓器IC進一步分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，也稱DC-DC轉(zhuǎn)換器。線性穩(wěn)壓器有兩種基本形式：串聯(lián)穩(wěn)壓器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器是一種串聯(lián)穩(wěn)壓器。  1-2.線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點 如下所示，線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器有各自的優(yōu)缺點。  1-3.什么是LDO穩(wěn)壓器? LDO穩(wěn)壓器是一種半導體穩(wěn)壓器，在所需輸出電壓不同于輸入電壓時使用。例如，假設輸入電壓為5V，所需輸出電壓為3V。這種情況下，LDO穩(wěn)壓器是簡單經(jīng)濟的電源穩(wěn)壓解決方案。輸入輸出電壓差小的穩(wěn)壓器稱為LDO穩(wěn)壓器。LDO代表低壓差；LDO穩(wěn)壓器是一種輸入輸出電壓低壓差的線性穩(wěn)壓器。本文說明為什么電子設備需要LDO穩(wěn)壓器才能穩(wěn)定運行并提供簡要描述。 1-4.電子系統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器的要求 傳統(tǒng)上，電源電路或穩(wěn)壓器IC（如PMICs*1）通常用在電路板上為每塊電路或IC提供所需電壓。然后，電源電路和穩(wěn)壓器IC為每個電路供電。不過，電路板長布線產(chǎn)生的電阻會造成顯著壓降，而電路板平行布線之間的串擾往往會影響噪聲敏感器件的工作。為解決這些問題，通常采用負載點（POL）穩(wěn)壓器IC在局部形成每塊電路或IC所需的電壓。(*1電源管理IC：一種用于管理系統(tǒng)中多條電源線的穩(wěn)壓器IC) 目前，為提高電子設備性能、縮小尺寸并增強通用性，電路越來越復雜且節(jié)能。這種情況下，電路和IC開始采用低電壓工作。此外，傳感器和高精度模擬電路需要低噪聲電路設計  1-5.什么是線性穩(wěn)壓器？ 線性穩(wěn)壓器是一種穩(wěn)壓器IC，隨著輸入電壓或輸出電流的變化起可變電阻的作用，以保持輸出電壓穩(wěn)定不變。線性穩(wěn)壓器有兩種：串聯(lián)穩(wěn)壓器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。顧名思義，串聯(lián)穩(wěn)壓器串聯(lián)在電源和負載之間，而并聯(lián)穩(wěn)壓器則并聯(lián)在電源和負載之間。  1-6.線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器功能 線性穩(wěn)壓器切斷過電壓，保持輸出電壓不變。相反，開關(guān)穩(wěn)壓器控制導通／斷開時間，保持輸入電壓平均值穩(wěn)定，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。  1-7.串聯(lián)穩(wěn)壓器工作原理  串聯(lián)穩(wěn)壓器位于電源和負載之間，根據(jù)輸入電壓或輸出電流的變化調(diào)整可變電阻的阻值，保持輸出電壓穩(wěn)定。  串聯(lián)穩(wěn)壓器IC使用MOSFET或雙極結(jié)型晶體管等有源器件取代可變電阻。 1-8.串聯(lián)穩(wěn)壓器電路配置 串聯(lián)穩(wěn)壓器基本由以下四個部分組成： 輸出晶體管輸出晶體管串聯(lián)在串聯(lián)穩(wěn)壓器輸入輸出引腳之間。隨著輸入電壓或輸出電流的變化，誤差放大器信號控制其柵極電壓或基極電流。因此，輸出晶體管起可變電阻的作用，保持輸出電壓穩(wěn)定。 參考電壓源這是誤差放大器的參考電壓源。誤差放大器根據(jù)這個參考電壓控制輸出晶體管的柵極或基極，保持輸出電壓穩(wěn)定。 反饋電阻反饋電阻對輸出電壓進行分壓并產(chǎn)生反饋電壓。誤差放大器比較反饋電壓與參考電壓，控制輸出電壓。兩個反饋電阻串聯(lián)在VOUT和GND引腳之間。電阻之間的中點電壓施加到誤差放大器。 誤差放大器誤差放大器比較反饋電壓（即兩個反饋電阻的中點電壓）與參考電壓。當反饋電壓低于參考電壓時，誤差放大器提高MOSFET驅(qū)動力，降低漏源電壓，從而增加輸出電壓。當反饋電壓高于參考電壓時，誤差放大器降低MOSFET驅(qū)動力，增加漏源電壓，從而降低輸出電壓。  1-9.三端穩(wěn)壓器與LDO穩(wěn)壓器的區(qū)別 典型三端穩(wěn)壓器（也稱標準穩(wěn)壓器）的輸出晶體管使用NPN型晶體管或N溝道MOSFET。這類穩(wěn)壓器工作需要輸入輸出電壓差，稱為壓差（V(DO)），如下圖所示。NPN型穩(wěn)壓器，V(DO)最小值必須滿足V(IN)－V(OUT＞)R(IN)×I(IN)＋2×V(BE)。  采用MOSFET的穩(wěn)壓器，V(DO) 的最小值必須滿足V(IN)－V(OUT)＞ R(IN)×I(IN)＋V(GS)。假設R(IN)＝1kΩ, I(IN)＝1mA，V(BE)＝0.7V，V(GS)＝1V。那么，經(jīng)計算生成5V輸出電壓所需最小輸入電壓，NPN型穩(wěn)壓器為7.4V，基于MOSFET的穩(wěn)壓器為7V。  與這些穩(wěn)壓器不同，LDO穩(wěn)壓器主要使用PNP晶體管或P溝道MOSFET作為輸出晶體管。這種LDO穩(wěn)壓器的最小壓差由集電極-發(fā)射極電壓（V(CE(sat))）和漏源電壓（V(DS)＝R(DS(ON))×I(D)）決定。因此，LDO穩(wěn)壓器的工作壓差小于三端穩(wěn)壓器。  還有一種新型LDO穩(wěn)壓器壓差更小。它使用導通電阻小于P溝道MOSFET的N溝道MOSFET作為輸出晶體管，配有專門用于控制電路（包括MOSFET驅(qū)動電路）的電源引腳。 02 LDO的便捷功能 2-1.LDO穩(wěn)壓器實用功能 包含多種功能，有助于保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 2-2.LDO穩(wěn)壓器過流保護操作 當V(OUT)一側(cè)的負載與GND之間短路或發(fā)生其他系統(tǒng)故障時，此功能限制LDO穩(wěn)壓器輸出電流，以保護其自身及使用穩(wěn)壓器的系統(tǒng)。東芝LDO穩(wěn)壓器過流保護功能稱為折返（foldback）。當電流過大高于內(nèi)部閾值時，折返會隨著輸出電壓（V(OUT)）的下降減小輸出電流（I(OUT)）。即使輸出電壓降到0V，輸出電流仍保持內(nèi)部設定電平?！罢鄯怠币辉~源自I(OUT)-vs-V(OUT)曲線的形狀，該曲線在保護過程中折返，如下圖所示。當導致過流狀況的故障條件消失后，LDO穩(wěn)壓器自動從過流保護狀態(tài)恢復，輸出電壓恢復到正常水平。 2-3.LDO穩(wěn)壓器熱關(guān)斷（TSD）操作 如果環(huán)境溫度過高導致功耗過大或結(jié)溫超過閾值，熱關(guān)斷（TSD）功能將關(guān)閉LDO穩(wěn)壓器，以保護其自身及使用穩(wěn)壓器的系統(tǒng)。LDO穩(wěn)壓器具有熱關(guān)斷溫度和恢復溫度。熱關(guān)斷溫度指結(jié)溫升高，觸發(fā)TSD關(guān)閉LDO穩(wěn)壓器的溫度。LDO穩(wěn)壓器關(guān)閉后，不消耗任何功率；因此結(jié)溫開始下降。當結(jié)溫達到恢復溫度時，LDO穩(wěn)壓器自動重新導通，為后面的IC和電路提供穩(wěn)定電壓?；謴蜏囟戎窽SD強制關(guān)閉后，LDO穩(wěn)壓器重新導通的溫度。LDO穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中，關(guān)斷溫度與恢復溫度之差稱為熱關(guān)斷滯后。一旦熱關(guān)斷被觸發(fā)，必須消除原因才能將CONTROL引腳置于低電平。如果CONTROL引腳保持高電平，結(jié)溫會再次升高。這會導致LDO穩(wěn)壓器進入以下環(huán)路：LDO穩(wěn)壓器關(guān)斷→結(jié)溫降低→LDO穩(wěn)壓器導通→結(jié)溫升高。LDO穩(wěn)壓器不應長時間處于過高溫度，因為這樣會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性或降低LDO穩(wěn)壓器的可靠性。一定為要為系統(tǒng)提供熱關(guān)斷情況下的故障保護機制。 2-4.LDO穩(wěn)壓器浪涌電流抑制功能 當輸入電壓從0V上升至最小工作電壓時，LDO穩(wěn)壓器導通提供穩(wěn)定輸出電壓。此時，內(nèi)部誤差放大器以最大驅(qū)動力驅(qū)動V(IN) 和V(OUT)引腳之間的輸出晶體管，將輸出電壓提高到設定水平。輸出電壓達到設定水平后，LDO穩(wěn)壓器將保持在該電平。然而，內(nèi)部電路延遲等情況會導致輸出電壓過沖，超過負載IC或電路額定電壓。此外，大浪涌電流進入LDO穩(wěn)壓器，會給連接V(OUT) 引腳的輸出平滑電容器充電。從LDO穩(wěn)壓器導通到輸出電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，這個過程會產(chǎn)生浪涌電流。如果V(IN) 引腳連接的電路板布線阻抗大，輸入電壓會由于電路板布線阻抗因浪涌電流產(chǎn)生的壓降而下降。因此，LDO穩(wěn)壓器無法產(chǎn)生正常水平的輸出電壓。浪涌電流限制功能可以防止這種情況。LDO穩(wěn)壓器導通后，緩慢提升輸出電流，同時限制浪涌電流，從而抑制輸出電壓過沖和輸入電壓下降。因此，浪涌電流限制有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。浪涌電流限制也稱斜率控制或軟啟動。 2-5.LDO穩(wěn)壓器自動放電功能 電子系統(tǒng)由多個IC和電路組成。為使系統(tǒng)正常工作，必須設置電源順序，即所含IC和電路的上電順序。為了平滑輸出電壓，LDO穩(wěn)壓器V(OUT) 引腳連接較大電容器。LDO穩(wěn)壓器關(guān)斷后，平滑電容器保持一段時間充電狀態(tài)，具體取決于后續(xù)IC或電路的供電電流。因此，電源順序很難設置。LDO穩(wěn)壓器關(guān)斷時，自動放電功能通過連接在V(OUT)和GND引腳之間的內(nèi)部N溝道MOSFET為平滑電容快速放電，從而簡化電源排序。 2-6.LDO穩(wěn)壓器欠壓鎖定（UVLO）功能 IC或電路供電電壓下降會造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，當輸入電壓降至內(nèi)部閾值以下時，LDO穩(wěn)壓器欠壓鎖定（UVLO）功能關(guān)閉輸出。UVLO有滯后現(xiàn)象。加高電平控制（CONTROL）電壓的情況下，當輸入電壓回升到恢復閾值以上時，輸出自動重啟。 03 LDO穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表使用的術(shù)語表 04 LDO效率和功率損耗計算 4-1.LDO穩(wěn)壓器效率 LDO穩(wěn)壓器效率計算公式如下： 輸入功率（P(IN)）和輸出功率（P(OUT)）可分別使用公式2和公式3計算： 當LDO穩(wěn)壓器靜態(tài)電流（I(B)）小于輸入電流（I(IN)）可以忽略不計時，公式2可近似如下： 將公式3和4代入公式1，得到： 對于串聯(lián)穩(wěn)壓器，I(IN)＝I(OUT).于是， LDO穩(wěn)壓器效率可按輸入電壓（V(IN))）與輸出電壓（V(OUT)）比來計算。因此，LDO穩(wěn)壓器可用于構(gòu)成高效電源，取決于輸入和輸出電壓條件。 4-2.LDO穩(wěn)壓器功耗和結(jié)溫計算 LDO穩(wěn)壓器功耗（P）計算公式如下： 當V(IN)×I(B)小到可以忽略不計時，公式1可以近似為： LDO穩(wěn)壓器結(jié)溫T(j)計算公式如下： 其中Rth(j-a)是LDO穩(wěn)壓器安裝在電路板上時的熱阻。如果數(shù)據(jù)表中未顯示Rth(j-a)，則可以根據(jù)功耗（PD）值計算： 將公式4代入公式3，可以得到： 假設T(j(最大值))＝150°C，P(D) = 600mW，V(IN)＝3.6V，V(OUT)＝1.8V，I(OUT)＝100mA，T(a)＝40°C。則T(j)的計算方法如下： 請注意，數(shù)據(jù)表中的功耗和熱阻值是指定電路板條件下的值。因此，有必要仔細評估LDO穩(wěn)壓器，以確保它們在實際使用條件下正常工作。 05 使用的注意事項 本節(jié)說明系統(tǒng)設計使用LDO穩(wěn)壓器的注意事項。 LDO穩(wěn)壓器反向偏置條件（即輸出電壓高于輸入電壓）如果LDO穩(wěn)壓器輸出電壓高于輸入電壓，則電流從輸出引腳反向流向輸入引腳。這種反向偏置情況會影響或損壞LDO穩(wěn)壓器。如果可能出現(xiàn)這種情況，請在V(IN) 和V(OUT)引腳之間連接旁路二極管，如圖1所示，或在電源和V(IN)引腳之間加反向電流阻斷二極管，如圖2所示。 使用反向電流阻斷二極管時，應注意二極管正向電壓（V(F)）產(chǎn)生的壓降，以確保LDO穩(wěn)壓器在輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。應選擇具有正向電壓（V(F)）和漏電流（I(R)）較低的二極管，同時考慮反向偏置電壓（V(R)）和正向電流（I(F)）的降額。 使用陶瓷電容器平滑輸出電壓 陶瓷電容器是LDO穩(wěn)壓器的理想選擇，因為小型陶瓷電容器可與大型電容器和小型等效串聯(lián)電阻（ESR）結(jié)合使用。不過，陶瓷電容器的容值取決于電壓和溫度，如下所示。特別是，輸出電容的容值會極大地影響LDO穩(wěn)壓器負反饋運行。一定要考慮電壓和溫度進行系統(tǒng)全面評估 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