使用LDO進行設(shè)計的一些鮮為人知的方面

低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 在電路設(shè)計中無處不在。許多只有三個終端；VIN、VOUT 和 GND。什么可能出錯？某些 LDO 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已得到充分證明，例如需要觀察正確的輸出電容和等效串聯(lián)電阻 (ESR)?，F(xiàn)代 LDO 使這變得更加容易，因為它們支持各種輸出電容器，包括低 ESR 陶瓷類型。電源抑制 (PSRR) 等 LDO 性能指標(biāo)也受到關(guān)注，因為該指標(biāo)定義了 LDO 抑制其輸入紋波和噪聲的效率。

本文介紹了使用 LDO 進行設(shè)計的一些鮮為人知的方面。

重復(fù)負載瞬態(tài)行為

即使使用低 VIN-VOUT 差分，TPS7A84A 低噪聲 LDO 也能正常工作。LDO 數(shù)據(jù)表通常會顯示負載瞬態(tài)行為的波形。閱讀數(shù)據(jù)表時，重要的是要注意獲取數(shù)據(jù)的測試條件。顯示了兩條曲線，唯一的區(qū)別是添加了負載瞬態(tài)的原始基本負載。當(dāng)施加負載瞬態(tài)時，輸出電壓會下降并恢復(fù)，因為電流從輸出電容器中汲取，并且在 LDO 的控制環(huán)路做出反應(yīng)以打開通路 FET 后的短時間內(nèi)更難提供增加的負載電流并返回 VOUT為名義上的。

紅色曲線適用于 3A-0.5A=2.5A 的負載瞬態(tài)，黑色曲線適用于 3A-0.1A=2.9A 的負載瞬態(tài)。正如預(yù)期的那樣，較大的負載瞬態(tài)黑色曲線顯示出比紅色更深的下降，但兩者的性能都非常好，VOUT 下降只有 20-30mV。有趣的是，移除負載階躍時的過沖擾動大于且持續(xù)時間長于施加負載階躍時的擾動。過沖幅度隨著原始負載電流的減小而增加。通常，當(dāng)移除負載時，LDO 會短暫地繼續(xù)提供其負載電流，為輸出電容器充電并導(dǎo)致過沖。不久之后，LDO 中的控制回路做出反應(yīng)，逐漸關(guān)閉其通路 FET，以使輸出降至其標(biāo)稱電壓。絕大多數(shù) LDO 不能主動吸收負載電流，只能提供負載電流，因此唯一將輸出電容器放電至其標(biāo)稱 VOUT 的就是原始負載。在圖 1 中，500mA 原始負載（紅色曲線）將比 100mA（黑色曲線）更快地對輸出電容器放電，并且 VOUT 更快地恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓。

原始負載越低，負載瞬態(tài)消除后 LDO 將其 VOUT 恢復(fù)到標(biāo)稱值所需的時間就越長。現(xiàn)在，如果負載瞬態(tài)是重復(fù)的，例如某些 RF 類型負載的情況，那么圖 2 的結(jié)果顯示了 0.56A 的負載以 2kHz 的速率添加/移除到設(shè)置為 1.4V o/p 的 LDO . 負載被移除然后重新應(yīng)用之間的實際時間是 0.4 毫秒。在圖 2 中，第一個負載瞬態(tài)應(yīng)用和移除會產(chǎn)生較低的下沖和過沖（VOUT 的下降約為 8.5mV），但第二個、第三個和隨后的負載瞬態(tài)表現(xiàn)出更差的性能。下降已惡化至 ~112mV，即 VOUT 的 8%。

圖 2：藍色跡線 – LDO 的 VOUT，交流耦合 40mV/div，0.2ms/div。紅色跡線 – 負載階躍（低時增加負載，高時去除負載）。LDO VIN=VBIAS=1.8V。LDO VOUT=1.4V。LDO 輸出電容為 47μF + 2x 10μF。LDO 輸入電容為 47μF + 2x 10μF

為什么是這樣？原因是在第一次和第二次負載瞬態(tài)應(yīng)用和移除之間，VOUT 尚未恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓，因為對輸出電容器放電的原始負載電流現(xiàn)在約為 0mA。VOUT 緩慢返回其標(biāo)稱電壓。因此，LDO 中的控制環(huán)路仍在命令 pass-FET 完全關(guān)閉。當(dāng)?shù)诙€負載瞬變發(fā)生時，控制環(huán)路檢測到 VOUT 正在下降，并且必須以相反的方式做出反應(yīng)，以完全打開其通路 FET，以增加通過它的電流以對其輸出電容器進行再充電并支持增加的負載。這需要時間，因此與第一個負載瞬態(tài)相比，VOUT 下降得更多。

圖 3：與圖 2 相同的條件，只是在 VOUT 上添加了 10Ω 假負載

LDO 可能比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜**！？**

通常，當(dāng)需要安靜的電源軌時，會使用 LDO。LDO 會比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜嗎？有可能的用例。LDO 的輸出噪聲在 LDO 內(nèi)部產(chǎn)生，主要由其參考電壓噪聲組成。LDO 的 VIN 上出現(xiàn)的噪聲和紋波電壓被其 PSRR 抑制，并在 VOUT 上出現(xiàn)衰減。正如我們所見，負載瞬變也會干擾 LDO 的輸出電壓，其控制環(huán)路旨在衰減這種情況。這三種噪聲和紋波源也存在于 dc/dc 轉(zhuǎn)換器中，此外，與 LDO 不同，它們的輸出端也存在開關(guān)噪聲和紋波。當(dāng)需要安靜的電源軌時，它們的輸出上沒有開關(guān)噪聲和紋波通常使 LDO 成為最佳選擇。

對于 LDO，其輸出上的負載電流與其輸入上出現(xiàn)的負載電流相同。LDO 輸出上的 1A 負載瞬態(tài)干擾會作為 1A 負載瞬態(tài)反映到其輸入端，因此也會反映到為 LDO 供電的上游轉(zhuǎn)換器。輸入端的 1A 負載瞬變會干擾為 LDO 供電的上游轉(zhuǎn)換器——它還必須響應(yīng)電流的這種變化。這會在加載負載時導(dǎo)致電壓驟降，而在移除負載時會導(dǎo)致過沖。上游轉(zhuǎn)換器輸出上的這種噪聲源很容易成為其輸出中最大的噪聲分量，即使它是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。如果 dc/dc 轉(zhuǎn)換器輸出還為其他更敏感的負載供電，那么它們將暴露于該紋波電壓，并且它們可能會以降低的性能運行。如果將 LDO 替換為 dc/dc 轉(zhuǎn)換器，則 dc/dc 轉(zhuǎn)換器的輸入電流是其輸出電流乘以占空比，D=VOUT/VIN，忽略損耗并在一個開關(guān)周期內(nèi)取平均值。因此，為該 dc/dc 轉(zhuǎn)換器供電的上游 dc/dc 轉(zhuǎn)換器在其輸出上經(jīng)歷較低的負載瞬變，并且上游 dc/dc 轉(zhuǎn)換器對其 VOUT 的干擾較小。因此，LDO 可能比 dc/dc 轉(zhuǎn)換器噪聲更大，但不是在其輸出上，而是在為其供電的上游轉(zhuǎn)換器的輸出上。

LDO 對低噪聲模擬前端 (AFE) 的熱效應(yīng)

LDO 通常用于為 AFE 提供安靜的電源軌。LDO 中的功耗僅由 Iout(VIN-VOUT) 給出，負載電流遠大于 LDO 的靜態(tài)電流。如果負載電流 (Iout) 很大和/或 VIN-VOUT 差異很大，則耗散功率可能很大。隨著 IC 封裝趨于小型化，LDO 中的溫升可能會非常顯著，從而導(dǎo)致印刷電路板 (PCB) 上出現(xiàn)熱點。熱量通過 LDO 封裝散熱焊盤連接到的接地層從 LDO 擴散到 PCB。AFE 的一個關(guān)鍵性能指標(biāo)是它們的信噪比（S/N 比）。噪聲電壓的一個分量是 Johnson/Nyquist 噪聲，由 V(rms) = sqrt(4kTBR) 給出，其中 T 是以開爾文為單位的絕對溫度，B 是帶寬，R 是電阻，k 是玻爾茲曼常數(shù)。將熱 LDO 靠近 AFE 放置也會使 AFE 的溫度升高，增加噪聲，降低 S/N，對系統(tǒng)的整體性能有明顯的影響。雖然將 LDO 放置在靠近 AFE 的位置很好，但應(yīng)避免將其放置得太近。對于擁擠的 PCB，還考慮移除一些銅接地層以防止熱量傳遞到 AFE，但要適度，以免干擾從 AFE 到 LDO 的接地返回電流路徑。

結(jié)論

本文重點介紹了在系統(tǒng)中應(yīng)用 LDO 時需要注意的三個問題。LDO 仍然是電源轉(zhuǎn)換的絕佳選擇，但像往常一樣，最好了解并避免此類應(yīng)用問題。