電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))在電壓轉(zhuǎn)換中,LDO和DCDC是經(jīng)常用到的兩種方式。眾所周知DCDC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)在于效率高,電流輸出大,靜態(tài)電流小。相比較于DCDC轉(zhuǎn)換器,LDO是一種壓降更低、噪聲更低、成本也更低的器件。
傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器輸出電壓條件很嚴(yán)苛,這才有了LDO類的電壓轉(zhuǎn)換器件的誕生。壓降太大,消耗在線性穩(wěn)壓器上的能量會(huì)增加不少,這時(shí)候就很容易影響效率。LDO可以看作低壓差加線性加穩(wěn)壓器。
LDO中的Dropout
從LDO的命名(low-dropout regulator)就可以看出,這種器件最典型的特征就是dropout。按最基本的說法,dropout描述了適當(dāng)調(diào)節(jié)所需的VIN和VOUT之間的最小值。Dropout電壓也就是指輸入電壓VIN必須保持在所需輸出電壓VOUT以上的最小電壓差。LDO可以在輸入電壓降低時(shí)持續(xù)保持輸出電壓不變,直到輸入電壓逼近輸出電壓加上這個(gè)壓差。
我們知道DCDC的效率普遍是高于LDO的,其實(shí)如果輸入電壓和輸出電壓很接近,那么LDO穩(wěn)壓器也能達(dá)到很高的效率,也就是壓差足夠小的情況下,LDO效率也不會(huì)很低。但如果并不接近,壓差太大,消耗在LDO上的能量會(huì)增加不少,既會(huì)增加器件功耗又會(huì)影響效率。很多因素都會(huì)影響這個(gè)壓差,比如負(fù)載電流和結(jié)點(diǎn)溫度,但從根本看,這個(gè)壓差本質(zhì)上是由LDO的體系架構(gòu)決定——PMOS LDO架構(gòu)和NMOS LDO架構(gòu)。
PMOS LDO架構(gòu)在較高的輸出電壓下將具有較低的壓差,NMOS LDO架構(gòu)在低輸出電壓下實(shí)現(xiàn)較低的壓差。二者相較來說PMOS架構(gòu)會(huì)更常見一些,因此LDO一般不會(huì)走大電流,小電流場(chǎng)景PMOS LDO架構(gòu)更適合,在大電流場(chǎng)景NMOS LDO架構(gòu)更適合。
相輔相成的LDO與電容
LDO需要的外接元件不多,一到兩個(gè)旁路電容即可,相比于DCDC需要外接的電感、二極管、電容這些算得上是非常簡(jiǎn)單了。雖然簡(jiǎn)單,但是電容卻十分重要,它與LDO相輔相成,合適的電容選擇才能讓LDO穩(wěn)定地正常工作。
電容的制成材料有很多種,每種不同材料的電容在應(yīng)用時(shí)都會(huì)有各自的優(yōu)缺點(diǎn),通常來說,陶瓷電容都會(huì)是不錯(cuò)的選擇,陶瓷電容的變化最小,而且成本也很低。電容值的變化會(huì)直接影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性,增加電路的不可預(yù)測(cè)行為。標(biāo)注的電容值可能和實(shí)際它能提供的電容天差地別,可能是因?yàn)橹绷麟妷浩顚?dǎo)致,可能是溫度導(dǎo)致,因此選擇合適的電容是LDO關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
電容器的動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致其在沒有外加電場(chǎng)的情況下可能會(huì)發(fā)生一些自發(fā)極化,這使電容具有初始電容。可以對(duì)電容器施加外部直流電壓,產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)初始極化,直流偏置特性不佳的電介質(zhì)就不適合與LDO一起使用。溫度上按照電容器指定的溫度等級(jí)劃分,大部分LDO結(jié)溫在-40℃到125℃,在這個(gè)溫度范圍,X5R或X7R電容是比較合適的。LDO可以與很多這種小型陶瓷電容配合使用,前提這些電容的寄生等效串聯(lián)電阻足夠低。
LDO的低噪聲
LDO的優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯,只能實(shí)現(xiàn)降壓,而且因?yàn)樾剩l(fā)熱,最小壓差等因素其應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)一步受限。但在敏感的模擬電路中,往往需要稍微犧牲效率來保證電源在更低噪聲下的純凈。當(dāng)然LDO作為電子器件也會(huì)有噪聲,噪聲來源分為內(nèi)部噪聲與外部噪聲。
外部噪聲的抑制能力PSRR在LDO的數(shù)據(jù)表中都會(huì)詳細(xì)標(biāo)注出來,和LDO的整體設(shè)計(jì)相關(guān)。想進(jìn)一步提高外部噪聲抑制也可以通過額外增加濾波等手段來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部噪聲集中在噪聲頻譜的低側(cè),這種噪聲主要來自內(nèi)部參考電壓,也有可能來自誤差放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電阻分壓器。大多數(shù)LDO內(nèi)部噪聲的抑制能力并不像PSRR會(huì)在器件的參數(shù)上標(biāo)注出來,要降低內(nèi)部噪聲可以在帶隙基準(zhǔn)源和誤差放大器之間加用于降噪的電容實(shí)現(xiàn)低通濾波,過濾內(nèi)部電壓噪聲,也可以在反饋電阻上增加前饋電容,二者效果類似。很少會(huì)選擇降低誤差放大器帶寬來抑制內(nèi)部噪聲,這會(huì)降低器件的動(dòng)態(tài)性能。
在模擬電路中,LDO抑制噪聲的能力非常重要,抑制來自上游電源和下游負(fù)載的噪聲的同時(shí)自身不給電路增加噪聲。
小結(jié)
熱性能對(duì)LDO性能的提升也不小,LDO 的本質(zhì)是通過將多余的功率轉(zhuǎn)化為熱量來調(diào)節(jié)電壓,從而使該集成電路非常適合低功耗或壓差值較小的應(yīng)用。想更大限度地提高LDO的性能可以從合適封裝著手提高器件的熱性能。
傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器輸出電壓條件很嚴(yán)苛,這才有了LDO類的電壓轉(zhuǎn)換器件的誕生。壓降太大,消耗在線性穩(wěn)壓器上的能量會(huì)增加不少,這時(shí)候就很容易影響效率。LDO可以看作低壓差加線性加穩(wěn)壓器。
LDO中的Dropout
從LDO的命名(low-dropout regulator)就可以看出,這種器件最典型的特征就是dropout。按最基本的說法,dropout描述了適當(dāng)調(diào)節(jié)所需的VIN和VOUT之間的最小值。Dropout電壓也就是指輸入電壓VIN必須保持在所需輸出電壓VOUT以上的最小電壓差。LDO可以在輸入電壓降低時(shí)持續(xù)保持輸出電壓不變,直到輸入電壓逼近輸出電壓加上這個(gè)壓差。
我們知道DCDC的效率普遍是高于LDO的,其實(shí)如果輸入電壓和輸出電壓很接近,那么LDO穩(wěn)壓器也能達(dá)到很高的效率,也就是壓差足夠小的情況下,LDO效率也不會(huì)很低。但如果并不接近,壓差太大,消耗在LDO上的能量會(huì)增加不少,既會(huì)增加器件功耗又會(huì)影響效率。很多因素都會(huì)影響這個(gè)壓差,比如負(fù)載電流和結(jié)點(diǎn)溫度,但從根本看,這個(gè)壓差本質(zhì)上是由LDO的體系架構(gòu)決定——PMOS LDO架構(gòu)和NMOS LDO架構(gòu)。
PMOS LDO架構(gòu)在較高的輸出電壓下將具有較低的壓差,NMOS LDO架構(gòu)在低輸出電壓下實(shí)現(xiàn)較低的壓差。二者相較來說PMOS架構(gòu)會(huì)更常見一些,因此LDO一般不會(huì)走大電流,小電流場(chǎng)景PMOS LDO架構(gòu)更適合,在大電流場(chǎng)景NMOS LDO架構(gòu)更適合。
相輔相成的LDO與電容
LDO需要的外接元件不多,一到兩個(gè)旁路電容即可,相比于DCDC需要外接的電感、二極管、電容這些算得上是非常簡(jiǎn)單了。雖然簡(jiǎn)單,但是電容卻十分重要,它與LDO相輔相成,合適的電容選擇才能讓LDO穩(wěn)定地正常工作。
電容的制成材料有很多種,每種不同材料的電容在應(yīng)用時(shí)都會(huì)有各自的優(yōu)缺點(diǎn),通常來說,陶瓷電容都會(huì)是不錯(cuò)的選擇,陶瓷電容的變化最小,而且成本也很低。電容值的變化會(huì)直接影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性,增加電路的不可預(yù)測(cè)行為。標(biāo)注的電容值可能和實(shí)際它能提供的電容天差地別,可能是因?yàn)橹绷麟妷浩顚?dǎo)致,可能是溫度導(dǎo)致,因此選擇合適的電容是LDO關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
電容器的動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致其在沒有外加電場(chǎng)的情況下可能會(huì)發(fā)生一些自發(fā)極化,這使電容具有初始電容。可以對(duì)電容器施加外部直流電壓,產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)初始極化,直流偏置特性不佳的電介質(zhì)就不適合與LDO一起使用。溫度上按照電容器指定的溫度等級(jí)劃分,大部分LDO結(jié)溫在-40℃到125℃,在這個(gè)溫度范圍,X5R或X7R電容是比較合適的。LDO可以與很多這種小型陶瓷電容配合使用,前提這些電容的寄生等效串聯(lián)電阻足夠低。
LDO的低噪聲
LDO的優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯,只能實(shí)現(xiàn)降壓,而且因?yàn)樾剩l(fā)熱,最小壓差等因素其應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)一步受限。但在敏感的模擬電路中,往往需要稍微犧牲效率來保證電源在更低噪聲下的純凈。當(dāng)然LDO作為電子器件也會(huì)有噪聲,噪聲來源分為內(nèi)部噪聲與外部噪聲。
外部噪聲的抑制能力PSRR在LDO的數(shù)據(jù)表中都會(huì)詳細(xì)標(biāo)注出來,和LDO的整體設(shè)計(jì)相關(guān)。想進(jìn)一步提高外部噪聲抑制也可以通過額外增加濾波等手段來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部噪聲集中在噪聲頻譜的低側(cè),這種噪聲主要來自內(nèi)部參考電壓,也有可能來自誤差放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電阻分壓器。大多數(shù)LDO內(nèi)部噪聲的抑制能力并不像PSRR會(huì)在器件的參數(shù)上標(biāo)注出來,要降低內(nèi)部噪聲可以在帶隙基準(zhǔn)源和誤差放大器之間加用于降噪的電容實(shí)現(xiàn)低通濾波,過濾內(nèi)部電壓噪聲,也可以在反饋電阻上增加前饋電容,二者效果類似。很少會(huì)選擇降低誤差放大器帶寬來抑制內(nèi)部噪聲,這會(huì)降低器件的動(dòng)態(tài)性能。
在模擬電路中,LDO抑制噪聲的能力非常重要,抑制來自上游電源和下游負(fù)載的噪聲的同時(shí)自身不給電路增加噪聲。
小結(jié)
熱性能對(duì)LDO性能的提升也不小,LDO 的本質(zhì)是通過將多余的功率轉(zhuǎn)化為熱量來調(diào)節(jié)電壓,從而使該集成電路非常適合低功耗或壓差值較小的應(yīng)用。想更大限度地提高LDO的性能可以從合適封裝著手提高器件的熱性能。
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