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[导读]首先来了解什么是线性稳压器,这是一种晶体管运行在线性区时候,使输入电压与输出电压有一个压差,就拿我们熟悉的LM7805来说,这是传统的线性稳压器,这种稳压芯片要求求输入电压至少要比输出电压高2V左右,否则不能正常输出;而LDO低压差线性稳压器只不过是把这个压差进一步降低,比如WIFI无线模块需要3.3V,只有输入5V时候,这个压差只有1.7V左右,用普通的线性稳压器不能实现,那么就要考虑使用LDO低压差线性稳压器,这时候LDO应运而生.

1.前言

首先来了解什么是线性稳压器,这是一种晶体管运行在线性区时候,使输入电压与输出电压有一个压差,就拿我们熟悉的LM7805来说,这是传统的线性稳压器,这种稳压芯片要求求输入电压至少要比输出电压高2V左右,否则不能正常输出;而LDO低压差线性稳压器只不过是把这个压差进一步降低,比如WIFI无线模块需要3.3V,只有输入5V时候,这个压差只有1.7V左右,用普通的线性稳压器不能实现,那么就要考虑使用LDO低压差线性稳压器,这时候LDO应运而生.

LDO的典型特征必须是压差。毕竟,这是其名称和首字母缩略词的来源。

在最基本的层面上,压差描述了正确调节所需的V IN V OUT之间的最小增量。但是,当我们合并变量时,它很快就会变得更加微妙。正如我们将看到的,压差对于获得高效运行和生成具有有限余量的电压轨至关重要。

2.什么是压降

压差电压 V DO是指输入电压 V IN必须保持在所需输出电压 V OUT(nom) 以上才能进行适当调节的最小电压差。见等式 1:

    (1)

如果 V IN低于此值,线性稳压器将进入压差操作,不再调节所需的输出电压。在这种情况下,输出电压 V OUT(dropout)将跟踪 V IN减去压降电压(公式 2):

 (2)

举个例子,考虑一个像TPS799这样的 LDO调节 3.3V。当提供 200mA电流时,TPS799的最大压差规定为 175mV。只要输入电压为 3.475V 或更高,稳压就不会受到影响。但是,将输入电压降至 3.375V 会导致 LDO 进入压差操作并停止调节,如图 1 所示。

1:TPS799在压差模式下运行

尽管它应该调节 3.3V,但TPS799没有维持调节所需的裕量。结果,输出电压开始跟踪输入电压。

3.什么决定压降

LDO 的架构主要决定了压降。要了解原因,让我们看看 PMOS 和 NMOS LDO 并比较它们的操作。

PMOS LDO

2 显示了 PMOS LDO 架构。为了调节所需的输出电压,反馈环路控制漏源电阻或 R DS。随着 V IN接近 V OUT(nom),误差放大器将驱动栅极至源极电压或 V GS,使其更负,以降低 R DS并保持调节。

2:PMOS LDO

然而,在某个时刻,误差放大器输出将在接地处饱和,并且无法驱动 V GS更负。R DS已达到其最小值。将此 R DS值与输出电流或 I OUT相乘,将产生压差电压。

请记住,V GS的值越负,实现的R DS越低。通过增加输入电压,我们可以获得更负的 V GS。因此,PMOS 架构在较高的输出电压下具有较低的压差。图 3 说明了这种行为。

3:TPS799的压差电压与输入电压

如图 3 所示,随着输入电压(和输出电压,就此而言)的增加,TPS799具有较低的压差。那是因为更高的输入电压会产生更负的 V GS

NMOS LDO

NMOS 架构的情况下,如图 4 所示,反馈回路仍然控制 R DS。然而,随着 V IN接近 V OUT(nom),误差放大器将增加V GS以降低 R DS并保持调节。

4:NMOS LDO

在某一点,V GS不能再增加,因为误差放大器输出将在电源电压或 V IN处饱和。满足此条件时,R DS处于最小值。将此值与输出电流或 I OUT相乘,得出压差电压。

但是,这会带来一个问题,因为随着 V IN接近 V OUT(nom)V GS也会降低,因为误差放大器输出在 V IN处饱和。这可以防止超低压差。

4.偏置 LDO

许多 NMOS LDO 采用称为偏置电压或 V BIAS的辅助电源轨,如图 5 所示。

5:带有偏置轨的 NMOS LDO

该轨用作误差放大器的正电源轨,并允许其输出一直摆动到高于 V IN 的V BIAS。这种类型的配置使 LDO 能够保持高 V GS,从而在低输出电压下实现超低压差。

有时辅助轨不可用,但仍需要低输出电压下的低压差。在这种情况下,可以用内部电荷泵代替 V BIAS,如图 6 所示。

6:带有内部电荷泵的 NMOS LDO

尽管没有外部 V BIAS轨,电荷泵将提升 V IN以便误差放大器可以产生更大的 V GS值。

5.其他变量

除了架构之外,dropout 还受到其他一些变量的影响,如表 1 所示。

1:影响压降的变量

很明显,dropout 不是一个静态值。不过,这些变量不仅会使我们 LDO 选择复杂化,还应帮助我们我们的特定条件集选择最佳 LDO


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