LDO电源设计原理与应用ppt课件

1、Introduction and Layout Principle of Linear Power Supply Bob JiangNov. 2021Introduction of Linear Power Supply n线性电源，是指调整管任务在线性形状下的直流稳压电线性电源，是指调整管任务在线性形状下的直流稳压电源。普通来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取源。普通来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个根本部分组成。另外还能样电路、误差放大电路等几个根本部分组成。另外还能够包括一些例如维护电路，启动电路等部分够包括一些例如维护电路，启动电路等部分. .Fun

2、damental Principle of Linear Power Supplyn调整原理如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负调整原理如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负载电流减小而升高时，串接晶体管设为载电流减小而升高时，串接晶体管设为NPN型基极电型基极电压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从而坚压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从而坚持采样电压等于参考电压。这种负反响控制在输出电压下持采样电压等于参考电压。这种负反响控制在输出电压下降时也同样起作用。此时误差放大器输出会使串接晶体管降时也同样起作用。此时误差放大器输出会使串接晶体管基极电压上升，集电极电阻减

3、小，直流输出电压升高，使基极电压上升，集电极电阻减小，直流输出电压升高，使采样电压等于参考电压。本质上，输入电压的任何变化都采样电压等于参考电压。本质上，输入电压的任何变化都会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压坚持不变，会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压坚持不变，其恒定程度与反响放大器的开环增益相关。晶体管一直任其恒定程度与反响放大器的开环增益相关。晶体管一直任务在线性形状，电路损耗为各元件直流损耗。务在线性形状，电路损耗为各元件直流损耗。n串接串接NPN型晶体管的线性调整器，假设基极驱动由型晶体管的线性调整器，假设基极驱动由Vin经经Rb提供，那么提供，那么Vin与与Vout之间必

4、需存在最小压差以保证向之间必需存在最小压差以保证向内的基极驱动电流。内的基极驱动电流。Introduction of Linear Power Supplyn线性稳压电源是比较早运用的一类直流稳压电源。线性稳线性稳压电源是比较早运用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反响速度压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反响速度快，输出纹波较小；任务产生的噪声低；效率较低；发热快，输出纹波较小；任务产生的噪声低；效率较低；发热量大尤其是大功率电源，间接地给系统添加热噪声。量大尤其是大功率电源，间接地给系统添加热噪声。n线性电源的主要缺陷是串接晶体管存在过大功耗，一切

5、的线性电源的主要缺陷是串接晶体管存在过大功耗，一切的负载电流都必需经过串接晶体管，其功耗为负载电流都必需经过串接晶体管，其功耗为Vin Vin Vo) Vo) IoIo。大多数情况下，串接。大多数情况下，串接NPNNPN型晶体管的最小压差型晶体管的最小压差Vin Vin Vo) Vo) 为为2.5V2.5V。在效率计算可近似为。在效率计算可近似为Vo/VinVo/Vin* *100%100%的情况下的情况下( (忽略忽略 LDO LDO 静态电流静态电流 ) )，电路效率太低！，电路效率太低！Introduction of LDOn为处理压差过大功耗过大而不适宜用在低电压转换的为处理压差过大功

6、耗过大而不适宜用在低电压转换的问题，出现了问题，出现了LDOLow Dropout Linear Regulator .n低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺陷。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例陷。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，假设一个如，假设一个LDO输入电源是输入电源是3.6V，在电流为，在电流为200mA时时输出输出1.8V电压，那么转换效率仅为电压，那么转换效率仅为50%。虽然就较大的输。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺陷，但是当电压差入与输出电压差而言，确实存在这些缺陷，

7、但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，假设电压从较小时，情况就不同了。例如，假设电压从1.5V降至降至1.2V，效率就变成了效率就变成了80%。 n在在LDO中，产生压差的主要缘由是在调整元件中有一个中，产生压差的主要缘由是在调整元件中有一个P沟道的沟道的MOS管。当管。当LDO任务时任务时MOS管道通等效为一个电管道通等效为一个电阻，阻，Rds(on), n Vdropout = Vin - Vout = Rds(on) x Iout (式式A)Introduction of LDOnLDO的构造主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元的构造主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能

8、电路、调整元件、基准源、误差放大器、反响电阻网络，维护电路等。件、基准源、误差放大器、反响电阻网络，维护电路等。n根本任务原理是这样的：系统加电，假设使能脚处于高电平常，电路根本任务原理是这样的：系统加电，假设使能脚处于高电平常，电路开场启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，开场启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将到达规定值时，由反响网络得到输出随着输入不断上升，当输出即将到达规定值时，由反响网络得到的输出反响电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反响电的输出反响电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反响电压和基

9、准电压之间的误差小信号进展放大，再经调整管放大到输出，压和基准电压之间的误差小信号进展放大，再经调整管放大到输出，从而构成负反响，保证了输出电压稳定在规定值上；同理假设输入电从而构成负反响，保证了输出电压稳定在规定值上；同理假设输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压坚持不变，即：压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压坚持不变，即：n Vout=R1+R2/R2 * ref V (式式B)Main Parameters of LDOn1 1输出电压输出电压(Output Voltage)(Output Voltage)n 输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电输出电

10、压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应思索的参数。低压差线子设备设计者选用稳压器时首先应思索的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器运用比较方便，而且由于输出电压是经过输出电压稳压器运用比较方便，而且由于输出电压是经过厂家精细调整的，所以稳压器精度很高。但是其设定的输厂家精细调整的，所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值，不能够满足一切的运用要求，出电压数值均为常用电压值，不能够满足一切的运用要求，但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。但是外接元件数值的

11、变化将影响稳定精度。n2 2最大输出电流最大输出电流(Maximum Output Current)(Maximum Output Current)n 用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不一样。通常，输出电流越大的稳压器本钱越高。为了降不一样。通常，输出电流越大的稳压器本钱越高。为了降低本钱，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分低本钱，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。所需的电流值选择适当的稳压器。Main Parameters of LDOn3 3输入输出电压差输入输出电压差(Dropout

12、 Voltage)(Dropout Voltage)n 输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。比如，压器的性能就越好。比如，5.0V 5.0V 的低压差线性稳压器，的低压差线性稳压器，只需输入只需输入5.5V 5.5V 电压，就能使输出电压稳定在电压，就能使输出电压稳定在5.0V5.0V。n4 4接地电流接地电流(Ground Pin Current)(Ground Pin Current)n 接地电路接地电路IGNDIGN

13、D是指串联调整管输出电流为零时，输入电是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器任务电流。在轻载电流时，系统效率是源提供的稳压器任务电流。在轻载电流时，系统效率是Iq Iq 对系统性能产生的影响之一。根本来说，具有低对系统性能产生的影响之一。根本来说，具有低Iq Iq 的的LDO LDO 只在轻载时效率较高。这是由于负载电流添加时，只在轻载时效率较高。这是由于负载电流添加时，Iq Iq 只只占占Iin Iin 总电流的很小一部分。具有较高总电流的很小一部分。具有较高Iq Iq 的的LDO LDO 可以大可以大大提高系统的线路和负载阶跃呼应性能。由于大提高系统的线路和负载阶跃呼应性能。由

14、于Iq Iq 被被LDO LDO 用来实现稳压任务，用来实现稳压任务，Iq Iq 较高的较高的LDO LDO 对负载需求或线路电对负载需求或线路电压的突变可作出更快的呼应。压的突变可作出更快的呼应。Main Parameters of LDOn5 5负载调整率负载调整率(Load Regulation)(Load Regulation)n 负载调整率可以经过以下图和式负载调整率可以经过以下图和式C C 来定义，来定义，LDO LDO 的负载的负载调整率越小，阐明调整率越小，阐明LDO LDO 抑制负载干扰的才干越强。抑制负载干扰的才干越强。n ( (式式A)A)n式中式中nVloadVload

15、负载调整率负载调整率n ImaxLDO ImaxLDO 最大输出电流最大输出电流n Vt Vt输出电流为输出电流为Imax Imax 时，时，LDO LDO 的输出电压的输出电压n Vo Vo输出电流为输出电流为0.1mA 0.1mA 时，时，LDO LDO 的输出电压的输出电压nVV负载电流分别为负载电流分别为0.1mA 0.1mA 和和Imax Imax 时的输出电压之差时的输出电压之差Main Parameters of LDOn6 6线性调整率线性调整率(Line Regulation)(Line Regulation)n 线性调整率可以经过以下图和式线性调整率可以经过以下图和式D D

16、 来定义，来定义，LDO LDO 的线性的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO LDO 的的性能越好。性能越好。n 式式D Dn式中式中nVlineLDO VlineLDO 线性调整率线性调整率nVoLDO VoLDO 名义输出电压名义输出电压nVmaxLDO VmaxLDO 最大输入电压最大输入电压nVLDO VLDO 输入输入Vo Vo 到到Vmax Vmax 输出电压最大值和最小值之输出电压最大值和最小值之差差Main Parameters of LDOn7 7电源抑制比电源抑制比(Power Supply Rejection

17、 Ratio. PSRR)(Power Supply Rejection Ratio. PSRR)n LDO LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR PSRR 反映了反映了LDO LDO 对于这些干扰信号的抑制才干。对于这些干扰信号的抑制才干。n PSRR=20 log PSRR=20 logvin/vin/voutvout n LDO LDO输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。导致影响。导致LDO LDO 输出噪声的主要来源是基准。为降低基准输出噪声的主要来源是基准。为降低基准噪声，用于衔接基准旁路电

18、容。增大旁路电容可以使基准噪声，用于衔接基准旁路电容。增大旁路电容可以使基准噪声成为产生噪声成为产生LDO LDO 输出噪声的次要要素，有利于减小输出输出噪声的次要要素，有利于减小输出噪声。建议运用陶瓷电容的典型值为噪声。建议运用陶瓷电容的典型值为470 pF 470 pF 到到 0.01 0.01 F F 。也可运用此范围以外的电容，但会对输入电源上电。也可运用此范围以外的电容，但会对输入电源上电时时LDO LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压上升速率越慢。输出电压上升速率越慢。n8. 8. 基准电压基准电压Referenc

19、e VoltageReference Voltagen 基准模块是线性稳压器的一个中心部分，基准的大小直基准模块是线性稳压器的一个中心部分，基准的大小直接决议了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主接决议了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要要素。要要素。Flows in Applicationn1 1、确定电路需求的电压类型是正电压还是负电压。、确定电路需求的电压类型是正电压还是负电压。n2 2、确定电路的输出电压、负载电流和输入电压留意输、确定电路的输出电压、负载电流和输入电压留意输入电压和负载电流都需求降额入电压和负载电流都需求降额8080思索思索n3 3、确定电路的最大、最

20、小输入输出电压差；电路的最、确定电路的最大、最小输入输出电压差；电路的最大、最小输入输出电压差应该满足器件要求；大、最小输入输出电压差应该满足器件要求；n4 4、单板、单板PCBPCB、构造尺寸和消费线对封装方式的要求；、构造尺寸和消费线对封装方式的要求；n5 5、确定电路的电性能目的要求如静态电流、精度、纹、确定电路的电性能目的要求如静态电流、精度、纹波、效率等；器件的目的应该满足电路目的的要求，并波、效率等；器件的目的应该满足电路目的的要求，并且思索温度对各种性能目的的影响；且思索温度对各种性能目的的影响；n6 6、确定器件的输出电容以及、确定器件的输出电容以及ESRESR值，假设器件对输

21、出电容值，假设器件对输出电容以及以及ESRESR有特殊要求，思索公司现有器件能否满足要求；有特殊要求，思索公司现有器件能否满足要求；n7 7、其他要求如电路能否需求使能控制端、价钱要素、其他要求如电路能否需求使能控制端、价钱要素等。等。Application of LDOnLDO的运用电路非常方便简单，任务时仅需求二个作输入、的运用电路非常方便简单，任务时仅需求二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见以下图。输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见以下图。Vin和和Vout的输入和输出滤波电容器，应中选用宽范围的、的输入和输出滤波电容器，应中选用宽范围的、低等效串联电阻低等效串联电阻(ESR)、低

22、价陶瓷电容器，使、低价陶瓷电容器，使LDO在零到在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO有一个有一个Bypass附加脚，由它衔接一个小的电容器，可以进一步降附加脚，由它衔接一个小的电容器，可以进一步降低噪音参考低噪音参考 7电源抑制比。电源抑制比。Keypoint in Application -Capacitorsn电容器的选择关系到设计产品的质量和本钱，电容器的电电容器的选择关系到设计产品的质量和本钱，电容器的电容值、电介质资料类型、物理尺寸、等效串联电阻容值、电介质资料类型、物理尺寸、等效串联电阻(ESR)(ESR)等这些重要参数都是设

23、计工程师所要思索的。在等这些重要参数都是设计工程师所要思索的。在LDOLDO运用运用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，由于陶瓷电容电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，由于陶瓷电容器无极性和具有低的器无极性和具有低的ESRESR，电容器的，电容器的ESRESR对输出纹波有艰苦对输出纹波有艰苦影响，而影响，而ESRESR受电容器的类型、容量、电介质资料和外壳受电容器的类型、容量、电介质资料和外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R X7R 电介质是最好的，但电介质是最好的，但运用本钱略高，运用本钱略高，X5R X5R 电介质较好，性能电介质较好，性能/ /价钱比适宜

24、，而价钱比适宜，而Y5VY5V电介质较差，但本钱较低。电介质较差，但本钱较低。Keypoint in Application -Capacitorsn1 1、 输入电容输入电容n输入电容的主要作用是对调整器的输入进展滤波，另外输入电容也可输入电容的主要作用是对调整器的输入进展滤波，另外输入电容也可以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡；以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡；所以调整器输入端普通采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤所以调整器输入端普通采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤波作用，普通取波作用，普通取22uF22uF左右；较小电容提供

25、消除振荡作用，取值普通为左右；较小电容提供消除振荡作用，取值普通为1uF1uF，实践运用中普通选用，实践运用中普通选用0.1uF0.1uF，位置尽量接近调整器的输入，位置尽量接近调整器的输入PinPinn输入电容除了思索容值外，纹波电流额定值也必需思索，输入电容的输入电容除了思索容值外，纹波电流额定值也必需思索，输入电容的纹波电流应小于器件手册给出的额定值，电路的纹波电流可以用下面纹波电流应小于器件手册给出的额定值，电路的纹波电流可以用下面的公式简单计算：的公式简单计算：nIrippleIripplePIPIVpVpf fC Cn其中：其中：nIrippleIripple：输入电容的纹波电流：

26、输入电容的纹波电流nVpVp：纹波电压的峰峰值：纹波电压的峰峰值nC C：输入电容值：输入电容值nf f：为纹波电压的频率，普通取：为纹波电压的频率，普通取100KHz100KHzn再思索以上要素的时候还应该留意温度对电容特性的影响，如钽电容再思索以上要素的时候还应该留意温度对电容特性的影响，如钽电容其电容值以及纹波电流额定值都随着温度的升高而降低。其电容值以及纹波电流额定值都随着温度的升高而降低。n另外电容都需另外电容都需8080的降额，钽电容需求的降额，钽电容需求50506060的降额。的降额。Keypoint in Application -Capacitorsn2 2、 输出电容输出电

27、容n电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及ESRESR对对电路频率呼应的影响是最主要的。由于隧道深度的存在，输出电容以电路频率呼应的影响是最主要的。由于隧道深度的存在，输出电容以及及ESRESR选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。因此电容的选择建选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。因此电容的选择建议参考器件手册的隧道深度图。议参考器件手册的隧道深度图。n在选择电容的时候还需求思索温度对容值以及在选择电容的时候还需求思索温度对容值以及ESRESR的影响，应该保证的影响，应该保证在整个温度范围内电路都是稳定的。主要是铝电容的

28、在整个温度范围内电路都是稳定的。主要是铝电容的ESRESR受温度影受温度影响比较大，所以建议在温度变化较大的运用场所下最好不要选择铝电响比较大，所以建议在温度变化较大的运用场所下最好不要选择铝电容作为输出电容容作为输出电容n在运用可调在运用可调LDOLDO调整器时，有时候我们为到达较好的输出纹波抑制性调整器时，有时候我们为到达较好的输出纹波抑制性能，调整器需求对地添加滤波电容，但是必需留意的是：电路的输出能，调整器需求对地添加滤波电容，但是必需留意的是：电路的输出添加了这个电容，又会添加一个闭环极点添加了这个电容，又会添加一个闭环极点f f1/21/2pipiR1/R2R1/R2C CC C为

29、补偿电容，电路的输出电容必需相应的添加，才干保证电为补偿电容，电路的输出电容必需相应的添加，才干保证电路的稳定。路的稳定。n另外一个容易忽视的问题：另外一个容易忽视的问题：LDOLDO带有多个负载的时候，每个负载电路带有多个负载的时候，每个负载电路的输入电容都是调整器的输出电容。的输入电容都是调整器的输出电容。Oscillation in LDOn1 1、任何一个电压调整器可以简单等效为误差放大器、驱、任何一个电压调整器可以简单等效为误差放大器、驱动电路动电路NPNNPN、达林顿管等、驱动电路输出负载、负载、达林顿管等、驱动电路输出负载、负载几个部分。系统的稳定性由开环传送函数决议。几个部分。

30、系统的稳定性由开环传送函数决议。LDOLDO普通普通采用采用PNPPNP或者或者PMOSPMOS接成共发射极输出，输出阻抗很大，输接成共发射极输出，输出阻抗很大，输出电容、负载电阻将直接影响开环增益。在开环增益到达出电容、负载电阻将直接影响开环增益。在开环增益到达0dB0dB以前，输出电容产生的零点必需补偿掉器件内部的一以前，输出电容产生的零点必需补偿掉器件内部的一个极点，以获得足够的相位欲度，否那么能够振荡。这个个极点，以获得足够的相位欲度，否那么能够振荡。这个零点就由输出电容的容值和零点就由输出电容的容值和ESRESR决议。决议。n2 2、正电压规范调整器普通采用、正电压规范调整器普通采用

31、NMOSNMOS或者或者DMOSDMOS采用射采用射随输出，输出电容对系统的稳定性影响很小，加上器件厂随输出，输出电容对系统的稳定性影响很小，加上器件厂家内部添加补偿电容，自激振荡普通不会出现。家内部添加补偿电容，自激振荡普通不会出现。Keypoint in Application-Power Consumptionn低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函数。以下方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗：数。以下方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗： nPD=PD=VINMAX- VOUTMIN VINMAX- VOUT

32、MIN ILMAXILMAX。其中。其中:P= :P= 最恶劣情况下的实践功耗，最恶劣情况下的实践功耗，VINMAX = VIN VINMAX = VIN 脚上的最大电压，脚上的最大电压，VOUTMIN = VOUTMIN = 稳压器输出的最小电压，稳压器输出的最小电压，ILMAX = ILMAX = 最大最大( ( 负载负载) ) 输出电流。输出电流。PD PD 最大允许功耗最大允许功耗(PDMAX) (PDMAX) 是最大是最大环境温度环境温度(TAMAX), (TAMAX), 最大允许结温最大允许结温(TJMAX) (+125(TJMAX) (+125C) C) 和结点到空气和结点到空气

33、间热阻间热阻JA) JA) 的函数。对于安装在典型双层的函数。对于安装在典型双层FR4 FR4 电解铜镀层电解铜镀层PCBPCB板板上的上的5 5引脚引脚SOT-23ASOT-23A封装器件，其封装器件，其JA)JA)约为约为250250C/WattC/Watt。 nPDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ JA PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ JA nVINMAX = 3.0V +10%VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mAILOADMAX = 40mA，TJMA

34、X = +125TJMAX = +125C C，TAMAX = +55TAMAX = +55C C n实践功耗实践功耗PD=26.7mWPD=26.7mW，最大允许功耗，最大允许功耗: PDMAX= 280mW. : PDMAX= 280mW. n在低压差线性稳压器在低压差线性稳压器LDOLDO的运用过程中一定要留意合理分配的运用过程中一定要留意合理分配LDOLDO实实践功耗，不要超越他的最大功耗。以影响系统的稳定性。践功耗，不要超越他的最大功耗。以影响系统的稳定性。 Keypoint in Application - LayoutnLDO设计中，规划容易被忽视，其实规划是非常重要的。设计中，规划容易被忽视，其实规划是非常重要的。n1、 元器件放置元器件放置n为了保证调整电路有足够好的瞬态呼应特性，为了保证调整电路有足够好的瞬态呼应特性，LDO调整器的带宽都较调整器的带宽都较高，这使得高，这使得LDO容易发生振荡，除外围元件对容易发生振荡，除外围元件对LDO产生影响外，实产生影响外，实践电路的寄生参数也会对