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        2. 了解低壓差線性穩壓IC(LDO)的基礎知識

          電子系統通常接收的電源電壓高于系統電路所需的電壓。例如,9V電池可用于為需要0至5V輸入范圍的放大器供電,或者兩節串聯的1.5V電池可能為包含1.8V數字邏輯的電路供電。在這種情況下,我們需要使用接受更高電壓并產生較低電壓的組件來調節輸入功率。

           

          實現此類調節的一種非常常見的方法是集成線性穩壓IC。

          固定輸出電壓線性穩壓器示意圖

          固定輸出電壓線性穩壓器示意圖

           

          線性穩壓器如何工作?

          線性穩壓IC(也稱為LDO或低壓差線性穩壓IC)使用由負反饋電路控制的晶體管來產生指定的輸出電壓,該輸出電壓在負載電流和輸入電壓變化的情況下保持穩定。

           

          基本的固定輸出電壓線性穩壓器是一種三端器件,如上圖所示。一些線性穩壓IC允許您通過外部電阻器調節輸出電壓。

           

           

          電壓線性穩壓器的缺點

          線性穩壓器的一個嚴重缺點是它們在許多應用中效率低。穩壓IC內部的晶體管連接在輸入和輸出端之間,其功能類似于可變串聯電阻;因此,高輸入至輸出電壓差分與高負載電流相結合,導致大量的功耗。穩壓器內部電路(圖中標有IGND)功能所需的電流也會導致總功耗。

           

          也許線性穩壓IC電路中最有可能的故障模式來自熱因素,而不是嚴格的電氣因素。穩壓IC耗散的功率將導致元件溫度升高,如果沒有足夠的路徑允許熱量從穩壓器中移走,溫度最終可能高到足以嚴重損害性能或導致熱關斷。

           

           

          線性穩壓器應用

          雖然線性穩壓IC在效率方面通常不如開關穩壓器,但由于幾個原因,它們仍然被廣泛使用。主要優點是易于使用、輸出噪聲低、成本低。大多數線性穩壓器僅需要輸入和輸出電容,電容要求足夠靈活,使設計任務非常簡單。

           

          線性穩壓IC是一種電路,它接收可變輸入電壓,并提供連續控制、穩定、低噪聲的直流輸出電壓。通常,線性穩壓IC需要在輸入和輸出之間產生較大的壓降才能正常工作。這需要相對較高的電壓輸入電源,導致低功率效率。低壓差(LDO)線性穩壓IC是一種線性穩壓器電路,即使在輸出電壓非常接近輸入電壓時也能很好地工作,從而提高了其電源效率。

           

          LDO有兩個主要功能,第一個顯然是將輸入電源電壓降低到負載所需的較低電壓。第二個功能是為噪聲極低的電壓源供電,即使在輸入電源上存在噪聲或負載中的瞬變時也是如此。事實上,與開關轉換器相比,這是它們的主要優勢,在開關轉換器中,噪聲隔離和輻射是系統的主要問題。

           

           

          電路操作基礎

          線性穩壓IC的基本概念如圖1所示。

          線性穩壓器基本概念

          線性穩壓器基本概念

           

          簡單來說,線性穩壓器是一個有效阻抗(RLDO),它呈現給負載(RLOAD),以便RLDO上的多余電壓下降,以保持負載所需的電壓水平。

           

          在許多系統中,提供輸入電壓的電源變化很大,在上述實現中,這將導致輸出電壓也相應地變化。因此,有必要增加一個閉環控制系統,以確保輸出電壓保持恒定,與輸入線路電壓無關。這種閉環反饋網絡通常通過使用固定基準電壓源進行調節,通常由帶隙基準電路提供。圖2所示為閉環系統。

          簡化的線性穩壓器

          簡化的線性穩壓器

           

          線性穩壓IC輸出電壓(VOUT)現在獨立于輸入源電壓(VIN),與基準電壓直接相關。如果該基準電壓源穩定且干凈,則輸出通常不受任何線路變化的影響。如果控制環路足夠快,則穩壓器還可以在負載電流的突然瞬態變化期間保持穩定的輸出電壓。

           

          當穩壓器的設計使得RLDO上所需的最小壓降很?。◣装俸练蚋。r,這被稱為低壓差線性穩壓IC或簡稱LDO。

           

          附加功能

          除了上述LDO的基本功能外,還可以包括其他一些有用的功能。

           

          啟用/禁用

          許多LDO都有一個控制輸入來使能穩壓器或將其關斷。

           

          軟起動、軟關斷

          為LDO上電是一項重要事件,必須注意確保輸出電壓以最佳速度上升。如果電壓積聚得太快,它可能會觸發輸出端的ESD鉗位和/或在嘗試為負載充電時驅動超過額定電流的電流。為了防止這種不必要的事件,這可能導致電路的暫時或永久損壞,輸出的速率是受控的。這稱為軟啟動。Vidatronic的IP核提供軟啟動功能,確保平穩、單調的啟動。

           

          同樣,當LDO被禁用時,輸出電壓將作為輸出電容和負載電流的函數而衰減。Vidatronic的IP核具有大多數LDO通常找不到的附加功能。如果在輸出完全衰減之前重新使能器件,IP核內的壓擺率功能將首先在重啟前將輸出電壓降至零,從而消除啟動毛刺或非單調性問題。

           

          過流 / 過熱關斷

          如果長時間暴露在超過額定溫度和負載電流水平的條件下,可能會對設備造成直接或長期損壞。為了防范這些風險,電源系統通常具有內置的過流和過熱保護電路。

           

          對于Vidatronic的IP核,在發生過流的情況下,器件將設置一個標志并啟動軟關斷。電流降至零后,器件將等待幾毫秒的導通延遲時間,然后繼續執行壓擺率控制的啟動。此操作將無限期繼續,直到故障消失。

           

          欠壓檢測和過壓檢測

          輸入電壓可能會發生突然偏移,如果超出可接受的值,可能會產生災難性的后果。欠壓(有時稱為“掉電”)情況會迫使LDO輸出低于其調節窗口,從而導致負載在功能上失效。過壓是導致可靠性或安全工作區(SOA)問題的原因。

           

          檢測這些異常情況的發生對于設計整個系統中的故障安全限值非常有用。根據應用領域,許多LDO制造商提供一種或兩種電壓偏移檢測功能。對此類故障情況的常見反應之一是關閉穩壓器并標記系統。

           

          響應欠壓或掉電情況的電路通常稱為欠壓鎖定或UVLO。如果輸入電壓低于維持Vidatronic IP核調節所需的閾值,穩壓器將設置一個內部標志并繼續執行軟關斷。

           

          環路補償

          與任何閉環控制系統一樣,LDO反饋環路需要進行頻率補償,以使輸出電壓穩定。需要仔細分析環路濾波器的各個極點和零點,這種分析通常是LDO設計中最復雜的部分,需要大量的設計時間。

           

          以前的解決方案

          對LDO環路進行頻率補償的常見方法之一是在LDO輸出端使用非常大的電容。這種LDO被稱為輸出補償穩壓器。確切的電容值取決于幾個因素,如負載電流、可用裕量等。典型值在數百nF到幾個F的范圍內。這些電容器有助于由于負載快速變化而源出或吸收浪涌電流。這種系統的主要缺點是這些外部電容器的額外成本以及PCB上用于安裝它們的額外空間。典型的物聯網(IoT)系統和其他類似應用需要多個LDO。每個LDO輸出的電容器將很快變得令人望而卻步。

           

          另一個因素是,負載電容器所需值的范圍通??缭綆资昊蚋L時間,具體取決于電路。設計適用于每個應用程序的自定義LDO內核是不切實際的,即使通常需要為不同的應用程序重用現有內核。制定一種能夠支持如此寬范圍的輸出電容器的頻率補償方案是一項極其艱難的要求。這些問題的傳統解決方案會導致在硅面積和附加電路方面進行過度設計,這些電路總是作為額外的成本和尺寸傳遞給最終用戶。

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-04-27 14:15
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