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想了解LDO基礎知識?看這一篇就夠了!

作者:時間:2019-10-11來源:電子產品世界收藏

電源管理是電子系統中的的一個基本模塊。智能手機、電腦和我們所熟知的絕大多數電子產品都需要這個模塊去實現本身的功能。隨著人們對電子產品便攜性的追求,計算能力的增長,以及傳感器的多樣化,電源管理設計有了更高的要求。為了滿足新的電源設計上的更高的要求,我們不能以為只要有了一個性能良好的電壓軌,就不需要考慮其他部分的電源設計。我們在電源設計中最應該考慮哪些問題?為一個已知的負載供電時,電源的哪個參數至關重要?如何通過已知信息推斷電源在各種不同條件下的性能?本電子書將幫您解決上述問題。使用低壓降穩壓器(LDO)是在維持小的輸出輸入電壓差的情況下,把一個較高電壓輸入,轉換為一個略低的穩定輸出電壓的常見方法。在大多數情況下,LDO都易于設計和使用。然而,目前的主流應用通常包括多個模擬和數字系統,我們將根據這些系統的本身特性以及工作條件來選擇最適合這個應用的LDO。

本文引用地址:http://www.tsejo.com.cn/article/201910/405686.htm

壓降

低壓降穩壓器(LDO)的典型特性必然是壓降。畢竟,其名稱及其縮寫由此而來。從根本上講,壓降描述的是正常穩壓所需的VIN和VOUT之間的最小差值。但是考慮到各種因素之后,它會迅速發生細微的變化。壓降對于實現高效運行及生成余量有限的電壓軌至關重要。

 圖1:在壓降狀態下工作的 TPS799

電容器與電容

電容器是用于儲存電荷的器件,其中包含一對或多對由絕緣體分隔的導體。電容器通常由鋁、鉭或陶瓷等材料制成。各種材料的電容器在系統中使用時具有各自的優缺點,如表1所示。陶瓷電容器通常是理想的選擇,因為其電容變化最小,而且成本較低。

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表 1:不同材料電容器的優缺點

電容器是用于儲存電荷的器件,而電容是指儲存電荷的能力。在理想情況下,電容器上標注的值應與其提供的電容量完全相同。但我們并未處于理想情況下,不能只看電容器上標注的值。電容器的電容可能只有其額定值的10%。這可能是由于直流電壓偏置降額、溫度變化降額或制造商容差造成的。

熱性能

若將熱性能納入考量,可以進一步提高應用的性能。低壓降穩壓器(LDO)的特性是通過將多余的功率轉化為熱量來實現穩壓,因此,該集成電路非常適合低功耗或VIN與VOUT之差較小的應用。考慮到這一點,選擇采用適當封裝的適當LDO對于最大程度地提高應用性能至關重要。這一點正是令設計人員感到棘手之處,因為最小的可用封裝并不總能符合所需應用的要求。

靜態電流

當您拿起幾乎沒用過的電子設備,卻發現電池電量幾乎或完全耗盡時,該令人多么惱火!如果您的設備只是處于待機或休眠狀態,出現這種情況可能是因為存在很小但很重要的一種參數:靜態電流。

靜態的定義為“非活動或休眠的狀態或階段”。因此,靜態電流 IQ 是系統處于待機模式且在輕載或空載條件下所消耗的電流。靜態電流通常會與關斷電流相混淆,關斷電流是指設備處于關閉狀態但系統仍與電池相連的情況下所消耗的電流。不過,這兩種參數在任何電池電流消耗低的設計中都很重要。靜態電流適用于大多數集成電路 (IC) 設計,其中放大器、升降壓轉換器和低壓降穩壓器 (LDO) 都會影響消耗的靜態電流量。

電流限制

在一些外部條件和情況下,LDO 可能會出現意外的高流耗。如果此高電流傳輸到其他正被供電的電子系統,會對大多數電子系統以及主機電源管理電路造成損害。選擇具有電流限制和內部短路保護的 LDO,將有助于防止產生這種不良影響,并在設計整體電源管理模塊時提供額外保護。LDO 中的電流限制定義為,建立所施加電流的上限。與恒流源不同,LDO 按需輸出電流,同時還會控制調節的總功率。電流限制通過用于控制 LDO 內輸出級晶體管的內部電路實現;見圖2。這是一種典型的 LDO 限流電路,由于達到限值后該電路會突然停止輸出電流,通常被稱為“磚墻”電流限制。此內部電路中,LDO 測量反饋的輸出電壓,同時測量輸出電流相對于內部基準 (IREF) 的縮放鏡像。

圖2:LDO 內部限流結構

防止出現反向電流

在大多數低壓降穩壓器(LDO)中,電流沿特定方向流動,電流方向錯誤會產生重大問題!反向電流是指從VOUT流向VIN而不是從VIN流向VOUT的電流。這種電流通常會穿過LDO的體二極管,而不會流過正常的導電通道,有可能引發長期可靠性問題甚至會損壞器件。LDO主要包括三個組成部分(見圖3):帶隙基準、誤差放大器和導通場效應晶體管(FET)。在典型應用中,導通FET與任何標準FET一樣,在源極和漏極之間傳導電流。用于產生FET體的摻雜區(稱為塊體)與源極相連;這會減小閾值電壓變化量。

圖3:LDO 功能方框圖

將塊體與源極相連有一個缺點,即會在FET中形成寄生體二極管,如圖4所示。此寄生二極管被稱為體二極管。在這種配置中,當輸出超過輸入電壓與寄生二極管的VFB之和時,體二極管將導通。流經該二極管的反向電流可能會使器件溫度升高、出現電遷移或閂鎖效應,從而導致器件損壞。在設計LDO時,務必要將反向電流以及如何防止出現反向電流納入考量。有四種方法可以防止反向電流:其中兩種在應用層實施,另外兩種在集成電路(IC)設計過程中實施。

圖 4:P 溝道金屬氧化物半導體 (PMOS) FET 的截面圖

電源抑制比

低壓降穩壓器 (LDO) 最受歡迎的優勢之一是,能夠衰減開關模式電源生成的電壓紋波。這對于數據轉換器、鎖相環 (PLL) 和時鐘等信號調節器件而言尤為重要,因為含有噪聲的電源電壓會影響這類器件的性能。電源抑制比 (PSRR) 仍然常被誤認為是單個靜態值。PSRR 是一個常見技術參數,在許多 LDO 數據表中都會列出。它規定了特定頻率的交流元件從 LDO 輸入衰減到輸出的程度。

噪聲

要獲得干凈的直流電源,使用低壓降穩壓器 (LDO) 過濾由開關模式電源生成的紋波電壓并不是需要考量的唯一事項。由于LDO 為電子器件,它們本身會產生一定量的噪聲。要生成不會影響系統性能的干凈電源軌,選擇低噪聲 LDO 并采取措施降低內部噪聲是不可缺少的環節。

理想的LDO 將生成沒有交流元件的電壓軌。可惜的是,LDO 本身也會向其他電子器件一樣產生噪聲。圖 5 所示為這種噪聲在時域中的表現。

圖 5:含噪聲電源的示波器截圖

在時域中執行分析十分困難。因此,可通過兩種主要方法來查看噪聲:跨頻率查看噪聲和查看積分值形式的噪聲。

添加前饋電容器可以改善噪聲性能、穩定性、負載響應和 PSRR。當然,必須慎重選擇電容器以保持穩定性。當與降噪電容器配合使用時,可以大大改善交流性能。本文僅僅介紹了需要牢記的一些方法,可以幫助用戶優化電源。




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