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[导读]LDO即low dropout regulator,是一种低压差线性稳压器 。这是相对于传统的线性稳压器 来说的。传统的线性稳压器,如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V转3.3V,输入与输出之间的压差只有1.7v,显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。

1.前言

LDOlow dropout regulator,是一种低压差线性稳压器 。这是相对于传统的线性稳压器 来说的。传统的线性稳压器,如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V3.3V,输入与输出之间的压差只有1.7v,显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。

LDO 使用在其饱和区域内运行的晶体管或场效应管(FET),从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO通常使用功率管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO PNP设备类似。

2.LILO LDO的高效率

电源的高效率历来归因于开关控制器或转换器,而设计人员则认为线性稳压器 (LDO) 的效率很差。但线性稳压器拓扑结构已变为单 n 沟道 p 沟道 n 沟道 (NPN)/p 沟道 n 沟道 p 沟道 (PNP) p 沟道金属氧化物半导体 (PMOS)/n 沟道 MOS (NMOS) 传输晶体管有助于实现非常低的压差。

      


便携式系统中出现了三种主要的电源趋势:降低总线电压、压缩电压转换和降低静态电流 (I Q )。这些趋势导致了低输入低输出 (LILO) LDO 的发展。

随着总线电压降低,LDO 的最低输入电压要求也随之降低。随着总线轨降至 1.5V 以下,传统的 LDO 拓扑开始达到其极限,因为输入电压轨为所有内部电路供电。逐渐降低的输入电压导致 LILO LDO 越来越受欢迎。

LILO LDO 使用 NMOS 传输晶体管和偏置轨来实现低压差。使用NMOS的优点通过晶体管是,它具有较低的漏极-源极电阻([R DSON )比PMOS。它还需要一个正栅源电压 (VGS) 才能工作。由于这种拓扑结构,偏置轨由更高的电压供电,并为 LDO 的大部分内部电路供电,因此 LDO 可以在较低的输入电压下工作。

NMOS 晶体管的主要优点之一是低DS(on),与 PMOS 晶体管相比,它允许单位面积的压降更小,从而在保持小尺寸的同时实现更小的压降。图 1 显示了 NMOS LDO 的典型拓扑,从该图中可以看出,该 LDO 需要偏置引脚才能正常工作。 

1NMOS LDO 拓扑

正如我所说,LILO LDO 的两个优势是较低的输入电压和较低的压差。后一个优势可以提高效率,与开关模式电源的效率相当。对于所有电源,我们可以使用公式 1 作为输入和输出功率的函数来计算效率:

对于像TPS7A10 这样的 LILO LDO 我们可以使用公式 2 计算效率,因为 LDO 同时具有偏置轨和输入电压轨:

    (2)

如果负载电流远大于 I,则Q效率方程可以简化,如方程 3 所示:

        (3)

我们可以看到,提高 LDO 效率的最快方法是通过降低压差使输入和输出电压更接近。

在便携式电子产品中,使用 LDO 供电的传感器很常见,因为开关转换器会产生太多噪声。设计人员将使用低 Q LDO,相信它们会在负载脉冲时延长系统的电池寿命。这不一定是最有效的解决方案;然而,由于负载开启期间的大功率耗散会导致效率急剧下降。

2 显示了用于实现便携式系统的两种常见电源配置。一种使用通用低 Q LDO,另一种使用低 Q LILO LDO。比较两种解决方案之间的功耗,通用低 Q LDO 的功耗为 2.7mW,而 LILO LDO 的功耗为 1.8mW(见表 1)。使用 LILO LDO 将效率从 55% 提高到 82%,即使LILO LDO的总 Q更高。

2:低 Q LDO LILO LDO

1:效率计算

我们所见,如果电池寿命和效率是我们的主要关注点,那么在便携式应用中实施 LILO LDO 有明显的好处。降低输入和输出电压之间的差异使这些 LDO 能够实现超过 80% 的效率。一旦理解了这一点,我们就可以为我们的应用选择合适的 LDO


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