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線性穩(wěn)壓器的基礎-線性穩(wěn)壓器的重要規(guī)格

duke劉 ? 來源:duke劉 ? 作者:duke劉 ? 2023-02-20 09:47 ? 次閱讀

這里所提的線性穩(wěn)壓器IC(Integrated Circuit/集成電路),與其他的IC,例如運算放大器等,同樣有表示特性或性能的規(guī)格。規(guī)格的英語為Specification,有方法、標準、基準等含義。線性穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格即規(guī)格表,其中有表示輸出電壓值及其精度等。這些稱為參數(shù)。技術(shù)規(guī)格除了參數(shù)之外,還記載了最大額定值、工作保證條件、特性圖表等非常重要的信息。圖-9為基本技術(shù)規(guī)格、規(guī)格確認點及規(guī)格表例。

絕對最大額定值定義為連一瞬間都不可超過的值。其中雖然然有時會包含短路時間等時間概念的項目,不過基本上任何時間都不可超過,當然更沒有±5%的公差值。有時會出現(xiàn):“超過的話會如何?”或“有多少余量?”等提問。或許大家有興趣知道,不過考慮絕對最大額定值的定義后就了解這問題并沒有討論的空間,應該探討的是如何讓使用上的最大值不超過最大額定值,或是使用較充裕的最大額定值。

保證規(guī)格值的條件非常重要,例如確認施加電壓或溫度等。實際使用條件和規(guī)格要求條件未必一致。例如,如果條件為Ta=25℃,其保證值則終究為Ta=25℃下的值。然而,實際使用上并非Ta=25℃這樣的恒溫條件中。因此,查看規(guī)格值時務必確認是否為某一點值、某范圍,例如工作保證溫度的值,然后再確認實際使用條件及接近設計設備工作條件的值。附帶的特性圖表可有助于判斷。

最后,規(guī)格值會記載最小值(Min)、最大值(Max)、標準值(Typ)的任何一值或全部。其中,可以保證的只有最小值和最大值。標準值根據(jù)特性分布或統(tǒng)計手法,數(shù)值有“大概這么多”的含義。盡管基本上以規(guī)格值作為設計的基礎,然而到底該使用哪個值來設計才好呢?標準值的大概是什么意思?原則上來說是要以最差條件的值為基準。如何判斷就需要靠設計者的訣竅與經(jīng)驗。

下面介紹線性穩(wěn)壓器中最起碼必須了解和探討的7項關(guān)鍵要點規(guī)格。當然,其他規(guī)格也不能忽視。除了線性穩(wěn)壓器外,充分閱讀技術(shù)規(guī)格對設計者來說也非常重要。

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圖 9:技術(shù)規(guī)格、規(guī)格的確認要點

  • 1) 輸入電壓范圍
  • 2) 輸出電壓范圍
  • 3) 輸出精度(VREF精度)
  • 4) 輸出電流
  • 5) 壓差電壓
  • 6) 瞬態(tài)響應特性
  • 7) 紋波抑制率

關(guān)鍵要點:

?絕對最大額定為必須嚴格遵守的重要項目。

?在設計上,所有工作溫度范圍內(nèi)可保證的值是有效的。

?Typical值非保證值。

?充分閱讀技術(shù)規(guī)格(不要僅限于電源IC的)也非常重要。

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍必須確認2個值。最大額定值所顯示的范圍有“可輸入”之意,施加電壓的范圍,并非表示在此范圍內(nèi)都會正常工作所以要默認不穩(wěn)定電壓的狀況,并確認是否在范圍內(nèi)。

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圖 10:輸入輸出的關(guān)系

區(qū)別于最大額定,還有工作輸入范圍或推薦輸入范圍項目,故以后兩者為目標。

圖10為輸入范圍、輸出范圍、以及壓差電壓的關(guān)系。有效輸入范圍為“輸出電壓+壓差電壓到最大輸入電壓之間”。線性穩(wěn)壓器只能降壓,所以輸入電壓低于“輸出電壓+壓差電壓”無法工作。至于輸入這種電壓以下會如何則視IC電路構(gòu)造而定,但大多會呈現(xiàn)“輸入電壓-壓差電壓”左右的電壓。不過并不能保證是否穩(wěn)定工作。如果輸入電壓更低時,一般認為會突然降至0V。但在以電池驅(qū)動等應用,電路都會持續(xù)工作到電池耗盡,這類電池應用也會使用到低電壓領域。

關(guān)鍵要點:

?圖10的關(guān)系須充分了解后設定輸出輸入條件。

輸出電壓范圍

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圖 11

輸出電壓范圍為可變型的專用規(guī)格,固定輸出型則沒有。輸出電壓范圍,是指在支持可變上輸出電壓可設定的電壓范圍。

輸出電壓范圍基本上其可變型可設定的最低電壓為VREF。VREF是1-1)項工作原理中已說明的誤差放大器所連接的比較用基準電壓。工作電路無法處理低于基準電壓(VREF)的電壓。

VREF是IC的一部分,所以基本上無法從外部變更。一般來說,CMOS系線性穩(wěn)壓器大概使用0.8V左右,而雙極是使用1.2V左右的VREF。這里必須注意的是,例如如果需要1V輸出功率時,則不得選擇1.2V的VREF

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圖 12

話題回到輸出電壓范圍,其最低電壓為VREFf,最大為最大輸入電壓(VINMAX)-壓差電壓(圖10參考)。

輸出輸入條件可根據(jù)上述關(guān)系以計算求得,但有時會因功率損耗而受限制。進行不超過TjMAX的熱計算,有時會因VIN、VOUT、IOUT、Ta的的條件而需要權(quán)衡。

關(guān)鍵要點:

?通常無法將低于VREF的電壓設定為輸出。

?視設定條件而定,有時無法容許熱損耗,故必須通過熱計算來確認。

輸出精度(VREF精度)

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圖 13

輸出精度為固定輸出型輸出電壓的容許誤差。以前的標準為±5%,最近則大多為±1%的高精度
輸出精度與溫度及輸出電流密切相關(guān),實際上的使用狀況并非只在25℃,故設計時須參考全溫度范圍規(guī)格。

可變型方面,VREF精度合適,將成為IC本身的精度。可變型的輸出電壓由于可用外置電阻來設定,因此,可變型的輸出精度須于VREF的精度摻入輸出設定電阻的誤差。

關(guān)鍵要點:

?可變型的輸出電壓精度受VREF精度及輸出設定電阻的誤差所影響。

?如果為通用電壓,則最好使用固定型。輸出精度更高,且不必外置2個電阻。

輸出電流
輸出電流的規(guī)格為保證可輸出最低限電流的項目,基本上想必大多規(guī)定最小值。視技術(shù)規(guī)格而定,有時以輸出電流界限(Output Current Limit)來表現(xiàn)。英語Limit的意義在此并非“限制”而是“界限”,如果可保證最小值,其意為“保證最小限度的電流值”,因此實際上為超過的電流。必須注意的是,有時會因誤認該值為限流值而破壞負載。此外,有些IC會規(guī)定最小值和最大值。此時最大值有電流被限制之意,為慎重起見,最好向廠商確認其限制值。

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圖 14

那么,可以利用被保證的輸出電流嗎?答案是 “視條件而定”。在兼顧輸出輸入條件、周圍溫度條件的考慮下決定。這里再次陳述,對線性穩(wěn)壓器而言,永遠需要熱計算,而且是重要的管理項目之一。

類似規(guī)則中,有時會顯示短路電流。短路電流是輸出引腳接地故障,也就是與GND短路時所流動的最大電流。了解此電流的話將有助于在最惡劣條件下的應對決策。

幾乎所有線性穩(wěn)壓器都擁有輸出短路時的保護功能。熱關(guān)斷是代表性保護功能,檢測芯片溫度后切斷輸出電流。線性穩(wěn)壓器的芯片通過此功能而不超過限制溫度(大多在150℃前后)以上,故幾乎在任何情況下都不會損壞。而在芯片的溫度下降時,會自動復原(例如過熱閉鎖(Latch-Off)等),如果無法去除負載障礙的話,有時又會開始流出電流,間斷流動可輸出變成負載電流,也有可能在未達負載前的狀態(tài)下不受保護。

關(guān)鍵要點:

?務必詳細確認技術(shù)規(guī)格的符合項目,并確認是否為最大值或最小值。

?規(guī)定輸出電流并非經(jīng)常可以獲得。受輸入輸出條件和TjMAX所限制。

?務必確認過電流時或短路時的工作(最大電流、熱關(guān)斷、過熱閉鎖等)具體會如何。

壓差電壓

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圖 10:輸入輸出的關(guān)系

壓差電壓是指線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作所必要的輸入電壓和輸出電壓的差。有時會以損耗電壓表現(xiàn),當然由于為前述定義的電壓損耗,因此其意義不同于例如以12V輸入得到5V輸出時的電壓損耗為7V。壓差雖字義為釋放(Dropout),但當輸入電壓接近輸出電壓時便無法維持穩(wěn)定工作,輸出會開始與輸入成比例下降。此狀態(tài)以英語的Dropout來表現(xiàn),而進入此狀態(tài)的電壓,也就是穩(wěn)定工作所需的輸入電壓和輸出電壓的差則稱為Dropout電壓(存在各種說法)。

先前用來表示輸出輸入電壓和壓差電壓間關(guān)系的圖10再顯示一次。如1-3)線性穩(wěn)壓器電路構(gòu)造和特征一項所說明,壓差電壓視IC的電路構(gòu)造而定。相較于標準型,LDO的壓差電壓較低。就單純關(guān)系而言,壓差電壓越低越能以接近輸出電壓的輸入電壓工作。這在輸入電壓會變動的電池驅(qū)動應用上成了重要的規(guī)格。反之,從12V制造5V的應用上,壓差電壓并不重要。另外,壓差電壓小的話,效率是否會變好?這個問題稍后再做說明。

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圖 16:壓差電壓和輸出電流

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圖 17:壓差電壓

圖16和17表格為壓差電壓、輸出電流以及溫度的關(guān)系。一如所見,對于溫度或輸出電流可以說各有其適當變動的參數(shù)。如果以常溫規(guī)格勉強設計的話,有可能會因高溫而無法工作。除了壓差電壓外,特性圖表也提供了非常重要的信息。

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圖 15

重點:

?必須充分理解圖10的關(guān)系。

?由于變動會因輸出電流和溫度而變大,因此切勿陷于最小輸入電壓時無法工作的條件中。

瞬態(tài)響應特性

瞬態(tài)響應特性如果輸出電壓通過負載電流的變動而變動時,線性穩(wěn)壓器將會回到所設定輸出電壓的電壓值。從輸出電壓的變動到還原的時間稱為瞬態(tài)響應特性。嚴格來說是負載瞬態(tài)響應特性。

穩(wěn)壓器的工作不就是穩(wěn)壓嗎?...或許有人會問。的確,穩(wěn)壓器會使工作穩(wěn)定,只是不僅是穩(wěn)壓器,任何東西在狀態(tài)變化后一直到對應都需要一定的時間。輸出的負載變動非常快速時,線性穩(wěn)壓器將來不及進行反饋(穩(wěn)定化)電路反應,出現(xiàn)負載電流急劇増加時輸出電壓下降,急劇減少時上升的現(xiàn)象(參考圖19、20)。

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圖 19:負載電流急増例。輸出電壓會隨著振鈴逐漸恢復后瞬間下降。

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圖 20:負載電流急減例。輸出電壓瞬間上升

由此可見,在負載電流急劇變化的應用上,瞬態(tài)響應特性是很重要的特性。輸出電壓通過負載變動而大變動時,如果其恢復速度慢則或許會產(chǎn)生電路復位或數(shù)據(jù)錯誤等故障。為使這種故障減至最小限度,必須選擇瞬態(tài)響應特性良好的線性穩(wěn)壓器。之后會說明的開關(guān)穩(wěn)壓器雖然也同樣具有瞬態(tài)響應特性,不過線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應特性由于連續(xù)進行電路控制,故比較高速。

然而,瞬態(tài)響應特性幾乎所有情況都無法保證規(guī)格。因其受到輸出電容或配線電感值的影響,所以無法一概決定規(guī)定值。標準電路例的特性如圖表所示,此時可作為參考值。如上述,由于特性也會因PCB設計而異,故最后推薦以實機進行實測。

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圖 18

關(guān)鍵要點:

?負載(輸出)電流急劇變動時,輸出電壓會變動,在恢復之前需要時間(響應時間)。

?響應時間因IC或輸出電容的特性而異(有可以改善的可能性)。

?變動太大時可能會超過電源監(jiān)視功能的閾值而復位。

紋波抑制率

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圖 23

紋波抑制率是一種以輸出可以抑制多少輸入紋波電壓的規(guī)格,雖有PSRR或輸入電壓紋波抑制等稱號,然意義都相同。紋波抑制率大多以dB表示,例如如果為60dB,則表輸入的紋波可去除為1/1000。如果為100mV的紋波,則為0.1mV。

紋波抑制率如果輸入的紋波為大則很重要。最近多為開關(guān)式隱壓器,在規(guī)避噪聲的應用上也因效率等觀點而改為使用開關(guān)穩(wěn)壓器。不過,在無法妥協(xié)S/N的應用上,為了去除附帶開關(guān)穩(wěn)壓器輸出的開關(guān)噪聲(紋波),有時會利用線性穩(wěn)壓器的紋波抑制功能。雖然確實是有效的方法之一,不過必須詳細探討輸入的紋波頻率和紋波抑制率的頻率特性。一般來說,紋波抑制性能當頻率變高時會降低。因此,當紋波頻率高時,有時獲得的效果不太好。

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圖 21

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圖 22

圖21為極普遍的線性穩(wěn)壓器紋波抑制特性,相對于頻率,抑制率逐漸降低,由于80kH時約8dB左右,故只能去除到1/2.5。反之,開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率則高達數(shù)百kHz到數(shù)mega,例如600kHz的開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波如果有100mV時,則會殘留40mV的紋波。最近有針對頻率特性改良的線性穩(wěn)壓器問世,圖22例中,600kHz時的紋波抑制率有28dB,故可抑制到1/25,使紋波為4mV。

審核編輯:湯梓紅


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