LDO 基礎(chǔ)知識(shí)以及其如何延長(zhǎng)便攜式和可穿戴設(shè)備的電池壽命

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

現(xiàn)代電子設(shè)備正變得越來越小，越來越便攜。智能手表、健身追蹤器、安防系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備越來越多地采用電池供電。因此，這些設(shè)備需要高效率電源穩(wěn)壓器，能夠從每次充電中炸盡每一毫瓦的功率，以確保設(shè)備工作更長(zhǎng)的時(shí)間。此外，這些設(shè)備的總過溫升必須極小。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器無法輕易地滿足這些便攜式設(shè)備的效率要求。此外，開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器也會(huì)受到噪聲和瞬態(tài)電壓的影響。

低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 是線性和開關(guān)穩(wěn)壓器系列的最新產(chǎn)品，通過其自身的極低壓降運(yùn)行，來提高效率并降低熱耗散。LDO 類型眾多，封裝可以小到 3×3×0.6 mm，非常適合中低功率的應(yīng)用。目前有輸出電壓恒定或可調(diào)的的版本，以及一些通過輸出使能線路進(jìn)行通斷控制的版本。

本文將介紹低壓差穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)知識(shí)及其相對(duì)于傳統(tǒng)線性和開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器的關(guān)鍵特性。然后，介紹來自 [Diodes Incorporated] 的真正 LDO 器件及其用法。

什么是 LDO 穩(wěn)壓器？

電壓穩(wěn)壓器的功能是在負(fù)載和源電壓變化的情況下保持輸出電壓恒定。傳統(tǒng)的電壓穩(wěn)壓器電路采用線性或開關(guān)模式設(shè)計(jì)。LDO 穩(wěn)壓器屬于線性穩(wěn)壓器，但在工作期間其輸入和輸出端之間的電壓非常低。像所有的線性電壓穩(wěn)壓器一樣，LDO 基于反饋控制回路（圖 1）。

圖 1：LDO 穩(wěn)壓器基于電壓控制反饋電路。串聯(lián)傳輸器件可以是 PMOS、NMOS 或 PNP 雙極晶體管，其作用類似于壓控電阻器。（圖片來源： Diodes Incorporated）

LDO 穩(wěn)壓器通過電阻分壓器檢測(cè)輸出電壓，該分壓器會(huì)縮放輸出電平。輸出電壓經(jīng)過縮放后施加到誤差放大器上，然后比較基準(zhǔn)電壓。誤差放大器驅(qū)動(dòng)串聯(lián)傳輸器件，以便在輸出端保持理想電壓。輸入和輸出電壓之差即為壓差，該電壓出現(xiàn)在傳輸設(shè)備上。

在 LDO 中，串聯(lián)傳輸器件的作用類似電壓 - 可變電阻器。串聯(lián)傳輸器件可以是 P 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體 (PMOS)、N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體 (NMOS) 或者 PNP 雙極晶體管。PMOS 和 PNP 器件可以驅(qū)動(dòng)至飽和狀態(tài)，從而最大限度地減少壓差。在采用 PMOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的情況下，壓差大約等于溝道導(dǎo)通電阻 (R DSON ) 乘以輸出電流。雖然這些器件各有優(yōu)缺點(diǎn)，但事實(shí)證明 PMOS 器件的實(shí)施成本最低。Diodes Incorporated 的 [AP7361EA]系列正輸出 LDO 穩(wěn)壓器采用 PMOS 傳輸器件，能在 1 A 負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn) 3.3 V 輸出的壓差約為 360 mV，且電壓精度為 ±1%（圖 2）。

圖 2：如圖所示，AP7361EA 系列 3.3 V LDO 在三不同溫度下的壓差與輸出電流的函數(shù)關(guān)系圖。（圖片來源： Diodes Incorporated）

壓差與輸出電流的函數(shù)關(guān)系圖表明了每個(gè)溫度下都有恒定斜率，說明其阻性特點(diǎn)。壓差在一定程度上與溫度有關(guān)，其電平隨著溫度升高而提高。請(qǐng)注意，LDO 的壓差比傳統(tǒng)的線性電源穩(wěn)壓器要低得多，后者的壓差約 2 V。

請(qǐng)注意，圖 1 所示的輸出電容是以其固有的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 表示的，該值會(huì)影響穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。所選電容器的 ESR 應(yīng)低于 10 Ω，以保證在 -40° 至 +85°C 的整個(gè)工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性。建議采用的電容器類型包括多層陶瓷電容器 (MLCC)、固態(tài) E-CAP 以及數(shù)值超過 2.2 mF 的鉭電容器。

靜態(tài)電流 IQ 表示 LDO 在沒有負(fù)載時(shí)消耗的電源電流。靜態(tài)電流為 LDO 內(nèi)部電路供電，如誤差放大器和輸出分壓器。在電池供電型設(shè)備中，靜態(tài)電流會(huì)影響到電池的放電率，而且通常情況下靜態(tài)電流盡可能低。Diodes Incorporated 的 AP7361EA 系列的典型 IQ 為 68 mA。

AP7361EA 系列 LDO

AP7361EA 系列包括三種備選電路配置，如圖 3 所示。

圖 3：AP7361EA 系列提供輸出電壓恒定或可調(diào)的器件，帶或不帶使能控制功能。（圖片來源： Diodes Incorporated）

AP7361EA 系列分為輸出電壓恒定或可調(diào)的版本。恒壓版本具有內(nèi)部分壓器，提供 1.0 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.8 V 或 3.3 V 的輸出電壓電平。輸出可調(diào)器件需要用戶提供外部分壓器，且輸出電壓范圍為 0.8 V 至 5 V。所有版本的輸出電壓精度規(guī)格為 ±1%，同時(shí)輸入電壓范圍為 2.2 V 至 6 V。

恒壓或輸出電壓可調(diào)版本可包含啟用控制線 (EN)。AP7361EA 通過將 EN 引腳設(shè)置為高電平而開啟，通過將其拉低而該器件關(guān)斷。如果不使用這一功能，EN 引腳應(yīng)與輸入引腳 (IN) 綁定在一起，以保持穩(wěn)壓器輸出一直處于開啟狀態(tài)。使能線路的響應(yīng)時(shí)間約為 200 ms，用于開啟，而其關(guān)斷則用時(shí)約 50ms。

AP7361EA 器件的另一個(gè)與眾不同之處是其封裝。該器件可采用 U-DFN3030-8（E 型）、SOT89-5、SOT223、TO252 (DPAK) 和 SO-8EP 封裝。

表 1 所示，以 AP7361EA 產(chǎn)品的不同版本為例進(jìn)行了比較，包括恒壓型 ([AP7361EA-33DR-13], [AP7361EA-10ER-13]) 和可調(diào)型 ([AP7361EA-FGE-7]，[AP7361EA-SPR-13])。

| | 零件編號(hào) | 恒定/可調(diào) | 輸出電壓 | 輸出電流 | 輸出使能 | 包裝 |
| ------------------ | ----------- | ---------------- | ---------- | ---------- | ----------------- |
| AP7361EA-33DR-13 | 恒定 | 3.3 V | 1 A | 否 | TO-252, (D-Pak) |
| AP7361EA-10ER-13 | 恒定 | 1.0 V | 1 A | 否 | SOT-223-3 |
| AP7361EA-FGE-7 | 可調(diào) | 0.8 V 至 5.0 V | 1 A | 否 | U-DFN3030-8 |
| AP7361EA-SPR-13 | 可調(diào) | 0.8 V 至 5.0 V | 1 A | 是 | 8-SO-EP |

表 1：AP7361EA 恒壓配置和電壓可調(diào)配置的樣品。（表格來源：Art Pini，采用了 Diodes Inc. 提供的數(shù)據(jù)）

AP7361EA 系列器件都有短路和過流保護(hù)功能。如果輸出電流超過電流限制（通常為 1.5A），短路和過流保護(hù)則具有 400 mA 的折返限流。當(dāng)器件的結(jié)溫上升到名義上的 150°C 時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱關(guān)斷，而當(dāng)結(jié)溫下降到大約 130°C 時(shí)恢復(fù)工作。

負(fù)載和電源調(diào)整率

負(fù)載調(diào)節(jié)能力表示 LDO 在輸出負(fù)載電流變化的情況下保持其輸出電壓的能力。這一特性對(duì)于電池供電型便攜設(shè)備非常重要，因?yàn)?a target="_blank">控制器經(jīng)常在不使用時(shí)關(guān)閉子系統(tǒng)。AP7361EA LDO 系列在輸出電平為 1 V 至 1.2 V 時(shí)的最大指定負(fù)載調(diào)節(jié)率為 1.5%，輸出為 1.2 V 至 3.3 V 時(shí)為 1%（圖 4）。

圖 4：3.3 V 輸出的負(fù)載調(diào)節(jié)圖示例。對(duì)于 3.3 V 標(biāo)稱輸出，負(fù)載在 100 mA 至 500 mA 范圍內(nèi)變化時(shí)，最大輸出變化約為 0.15% 或約 5.0 mA。（圖片來源： Diodes Incorporated）

負(fù)載調(diào)節(jié)率是最大輸出電壓變化與額定輸出電壓之比。在上例中，負(fù)載變化為 100 mA 至 500 mA 時(shí)，最大輸出變化約為 5.0 mA。因此，負(fù)載調(diào)節(jié)率是 0.005/3.3 或 0.15%。

線路變化規(guī)定了每伏輸出的源電壓變化時(shí)的輸出變化。AP7361EA 系列在室溫下的最大電源調(diào)整率為 0.1%/V，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 0.2%/V。對(duì)于 3.3 V 輸出，1 V 輸入電平變化應(yīng)該有小于輸出電平變化，即標(biāo)稱 3.3 V 輸出的 0.33%（圖 5）。

圖 5：所示為 AP7361EA 在 3.3 V 輸出時(shí)的電源調(diào)整率。輸入電壓在 4.3 V 到 5.3 V 之間變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生 0.05% 的變化。（圖片來源： Diodes Incorporated）

圖 5 顯示了 LDO 的電源調(diào)整率。源電壓在 4.3 V 到 5.3 V 之間變化，將導(dǎo)致輸出電平發(fā)生 0.05% 或大約 1.65 mV 的變化。

請(qǐng)注意，在線路和負(fù)載變化條件下，說明了輸出值從瞬態(tài)事件中迅速恢復(fù)。這一特點(diǎn)在便攜式設(shè)備重啟過程中非常重要，因?yàn)樵谥匦聠?dòng)消音電路之前，電源總線必須啟動(dòng)并發(fā)揮作用。

電源抑制比

作為線性電路，LDO 產(chǎn)生的噪聲比開關(guān)模式電源 (SMPS) 或電源轉(zhuǎn)換器要小得多。在許多應(yīng)用中，在電路板上使用 LDO，但電源是 SMPS。由于 LDO 內(nèi)的控制系統(tǒng)，它傾向于抑制來自輸入電源的噪聲和紋波。衡量這種噪聲抑制的標(biāo)準(zhǔn)是電源抑制比 (PSRR)（圖 6）。

圖 6：PSRR 是根據(jù)在 LDO 的輸入和輸出端測(cè)量的交變電流信號(hào)計(jì)算的。（圖片來源： Diodes Incorporated）

如圖 6 所示，PSRR 是根據(jù)輸入的交流分量與輸出的交流分量之比計(jì)算的。AP7361EA 系列的 PSRR 與頻率有關(guān)，隨著頻率的增加而降低。1 kHz 時(shí)，PSRR 為 75 dB；10 kHz 時(shí)下降至 55 dB。75 dB 代表衰減超過 5600:1。1kHz 時(shí)的 10mV 紋波或噪聲信號(hào)將被衰減至約 1.7 μV。

應(yīng)用實(shí)例

圖 7 所示為輸出可調(diào)的 LDO 的典型應(yīng)用。該應(yīng)用包括一個(gè)與 AP7361EA-SPR-13 類似的輸出使能以及一個(gè)外部輸出分壓器。

圖 7：使用了需要外部輸出分壓器的可調(diào)輸出 LDO 的實(shí)例。右下方的公式顯示了為滿足期望的輸出電壓和內(nèi)部基準(zhǔn)而采用的電阻 R1 和 R2 之間的關(guān)系。（圖片來源： Diodes Incorporated）

電阻分壓器的電阻值可以用圖 7 右下方所示的公式計(jì)算。R2 的值應(yīng)保持小于 80 kΩ，以確保內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。對(duì)于 2.4 V 輸出，基準(zhǔn)電壓為 0.8 V，R2 為 61.9 kΩ，R1 為 123.8 kΩ。一個(gè) 124 kΩ、1% 的電阻就是所需的電阻。

結(jié)語

LDO 是線性穩(wěn)壓器，工作時(shí)輸入和輸出之間保持低壓差并具有低靜態(tài)電流。這種穩(wěn)壓器具有高功率效率、低噪音和小尺寸。這種穩(wěn)壓器特別適合電池供電型便攜式設(shè)備，因?yàn)檫@種器件可以延長(zhǎng)電池壽命并提高可靠性。