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原文來自原創書籍:《硬件設計指南 從器件認知到手機基帶設計》
1. Dropout voltage
上文介紹了LDO是工作在恒流區(飽和區)的,DS之間有一定的壓差,dropout voltage主要指的就是這個壓差,所以LDO若想穩定工作在飽和區,輸入輸出之間必須滿足這個壓差,應用中可以考慮把datasheet中的數據預留25%的余量。比如圖2-24 某LDO在Iout=150mA時,LDO不同的輸出Vout對應的VDO也不同,Vout越大,需要的VDO就越小,這可以從圖2-16 找到解釋,當輸入電壓Vi(對應MOS的VD)和輸出電流不變時,Vout越大那么也就是MOS的VDS越小(VDS=VDO=Vi-VO),則VDO也就越小。
圖2-24 LDO手冊數據截取
圖2-25 是某LDO的dropout voltage與負載電流的關系曲線,可以看到如果負載電流越大,那么LDO的dropout voltage也應該越大,這也可以從圖2-16 找到解釋,如果負載電流越大,那么MOS的工作區間就越靠近恒流區的上部分也就越靠近可變電阻區,為了遠離MOS的可變電阻區使得MOS工作在飽和區,MOS的VDS應該往增加的趨勢轉移。
圖2-25 LDO壓差與輸出電流關系曲線
原文來自原創書籍:《硬件設計指南 從器件認知到手機基帶設計》
2. 效率
此處不做過多討論,LDO自身消耗的功率約等于輸入與輸出的電壓差*負載電流(VDO*Io),效率等于輸出功率除以輸入功率。LDO的輸入電流約等于輸出負載電流,因此效率就等于輸出電壓除以輸入電壓,見公式(2-31)。相同負載電流下,壓差VDO越大,LDO功耗越高,發熱就越大,效率就越低,壓差不要設置的太高,有利于提高效率,在手機或者其他便攜式設備中尤其會關注LDO的效率,市場上的一些學習開發板只注重基本功能而忽略性能,有的開發板LDO就會發熱,甚至是燙手,這就是不合理的電源架構設計。
3. PSRR
PSRR(power supply rejection ratio)電源電壓抑制比是LDO重要參數之一,是LDO對輸入電源紋波的抑制能力,LDO巨大優點之一便是紋波小,即PSRR好。PSRR計算過程見公式(2-32),VINAC是輸入電壓的變化量,VOUTAC是輸出電壓的變化量,電源對噪聲有抑制作用,注意:有的手冊PSRR為負數而有的手冊是正數,我們關注的是PSRR的絕對值,它的絕對值越大表示對輸入紋波的抑制程度越高。圖2-26 是Onsemi某LDO PSRR曲線(縱坐標取了絕對值方便閱讀),該曲線有個轉折點,左邊是LDO自身環路起主導作用,右邊為輸出電容和PCB起主導作用,PSRR性能好的LDO左邊的曲線會更高、紋波抑制能力更好,加大輸出電容,右邊的曲線會升高。
圖2-26 LDO PSRR曲線
4. 輸入電壓瞬態響應
輸入電壓瞬態響應也叫線網調整率(Line Transient Response),指的是在特定負載電流條件下,當輸入電壓階躍變化時,引起的輸出電壓的變化量。從定義可以看出,輸入電壓瞬態響應越小越好,因為這樣才能在輸入電壓變化時,對輸出的影響越小,LDO性能越好,圖2-27 左圖是某LDO的輸入電壓瞬態響應曲線,當第一行的輸入電壓突然增加時,會引起第二行中輸出電壓微小上沖,反之亦然,由于這個變化很小只有20mV,與LDO輸出的幾伏電壓相比非常小,因此左圖中第二行是交流測量,減掉了LDO輸出的直流量,只看輸出電壓的變化量,因此第二行的電壓是在0V基礎上波動。
圖2-27輸入電壓瞬態響應與負載瞬態響應
5. 負載瞬態響應
負載瞬態響應(Load transient response )指的是,在特定的輸入電壓條件下,當負載電流突然變化時,引起的輸出電壓的變化。從定義可以看出,負載瞬態響應也是越小越好,當負載電流突然變化時,引起的輸出變化越小,LDO性能就越好,從圖2-27 右圖中可以看到,當第二行的輸出電流突然增加時(負載電阻突然減小),會引起第一行的輸出電壓下沖,反之亦然,輸出電壓波形也是看交流量。
一個設計優秀的LDO一定要具有良好的穩定性,以前接觸過某LDO設計初期,內部設計不合理導致過LDO負載瞬態響應異常,有點類似圖2-49 的波形,上面波形是輸出電流,下面曲線是輸出電壓,當負載電流短時間內拉高時,輸出劇烈抖動,并沒有穩定在最開始的輸出。
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