低压差线性稳压器LDO应用教程

LDO 几乎在每个现代电子设备中都能找到一席之地。其结果是适合最多样化应用的丰富设备。在本教程中，我们将回顾四类主要应用：用于有线和无线通信的低噪声、高PSRR LDO-t用于便携式设备的低功耗、小尺寸LDO-t工业和汽车应用的耐高压-t用于数字内核电源的高功率LDO。

介绍

在从电源（无论是交流线路还是电池）到电子负载的长电路径中， 低压差（LDO）线性稳压器经常被要求覆盖“最后一英里”。在这里，嘈杂的开关稳压器让位于一边，取而代之的是安静的LDO来为关键的电子负载供电。

灵活的LDO（图1）能够适应手头的应用。在低噪声应用中，它可以交易 关闭静态电流，有利于噪声。在必须承受高电压的应用中，它可以牺牲输出电流，选择输入电压。当连接到电池时，它可以保护系统免受电池的影响 反转（反向电压保护）。当与开关稳压器接口时，它可以保护系统免受输入反向电流的影响。在高可靠性应用中，LDO可以用引线框架代替晶圆级封装 包。在本教程中，我们将回顾 LDO 应用的四个主要类别：

用于有线和无线通信的低噪声、高PSRR LDO

用于便携式设备的低功耗、小尺寸LDO

适用于工业和汽车应用的耐高压

用于数字内核电源的大功率LDO

这四种应用中的每一个都有其特定的挑战，这转化为LDO为每个应用供电的独特要求。在每种情况下，我们都将讨论这些挑战，并借助特定的LDO示例提供解决方案。

图1.PMOS LDO框图。

用于有线和无线通信的低噪声、高PSRR LDO

在有线和无线通信系统中，LDO为敏感的模拟电路（PLL、VCO、RF）提供干净的电源。低频谱噪声将最大限度地减少RF解调器中的线性度下降，并降低PLL和VCO电路中的相位噪声。

输出噪声源

LDO基准电压源（V裁判在图2中）是噪声的主要来源，如果不进行滤波。出于这个原因， 低噪声LDO通常具有旁路滤波器选项（R拜尔比普， C拜尔比普） 用于噪声抑制。闪烁或 1 超过 f 当LDO中存在任何电流时，都会产生噪声。这种低频噪声很难滤除，这也是噪声频谱密度曲线总是在低频时达到峰值的原因（见图3）。

图2.带旁路滤波器的低噪声LDO。

滤除参考噪声后，剩余的大部分高频噪声将是热噪声（V太） 由于电荷载流子的随机热运动，无论施加的电压如何，并且将由 LDO 中的任何电阻元件产生：

其中 K 是玻尔兹曼常数，T 是以开尔文为单位的温度，B 是器件带宽，R 是电阻值。例如，在环境温度和带宽为100kHz时，100kΩ电阻会产生13μV的热噪声有效值.因此，需要将LDO内部噪声的任何电阻贡献降至最低。

LDO噪声频谱密度

在MAX38902 LDO稳压器中，旁路电容从BYP引脚连接到OUT，不仅滤除基准的噪声，还滤除反馈电阻和稳压器输入级。这为改善瞬态响应提供了高速反馈路径。图3所示为MAX38902的电压噪声频谱密度（以V为单位）有效值/

或 RMS 电压除以设备带宽的平方根。该噪声曲线会增加模拟负载自身的噪声曲线，从而提高本底噪声总水平，该水平必须保持在允许的噪声掩模配置文件以下。品质因数低至30nV/

），是许多低噪声器件的绝佳选择 应用。

图3.MAX38902A/B噪声频谱密度

LDO 有效值噪声

ADC和DAC等数字负载将其有效分辨率定义为满量程之比的函数 输入电压范围和ADC RMS噪声。在这种情况下，给出LDO的整数值更有用 给定带宽上的噪声系数。MAX38902具有12μV的积分噪声系数有效值超过 10Hz 至 100kHz 带宽，在100mA时，旁路引脚上有一个47nF滤波电容。比较之前的计算 热噪声，整个MAX38902 LDO的噪声与单个100kΩ电阻几乎相同！

高PSRR性能

LDO必须具有良好的电源抑制比（PSRR），以将其负载与其电源隔离，很可能是噪声 开关稳压器。图4显示了100Hz至10MHz的PSRR曲线。

例如，假设LDO输入是10mV开关稳压器的输出。峰纹波在200kHz。一个 50dB 的 PSRR 将增加 22μV有效值输出噪声（10mV/316 x v2）。品质因数高 该系列的分贝为62dB，是模拟或数字噪声敏感型应用的绝佳选择。

图4.MAX38902A/B PSRR

启动

上电时（图 5），为电子负载供电的 LDO 输出应逐渐上升，以避免过度 电流从输出电容单调吸收，以避免误启动。在MAX38902中，旁路 电容还决定启动期间输出电压的压摆率。一个 0.01μF 电容器设置压摆 速率至 5V/ms。此启动速率导致启动时从输入端汲取一个 50mA 的压摆电流，以便为 10μF 充电 输出电容。

图5.MAX38902A/B启动波形

反向电流保护

反向电流保护是现有LDO中很少见的新功能。在电池供电的设备中，负载 通常通过带有 MOSFET 调整管的高效 CMOS LDO 进行调节，该调整管带有反向偏置 输入和输出之间的本征二极管（D1）（图6）。

图6.带有PMOS调整管和本征二极管的LDO。

反向电流保护可防止LDO输入端的降压稳压器产生较大的反向电流 被关断，使输入短路至GND。大LDO输出电容通过LDO通道的放电能量 晶体管的本征二极管会造成损坏。可承受低反向电流。超过设定的阈值 （200mA），反向电流完全阻断。

MAX38902反向电流保护

传递元件（图 7 中的 T1）为低 R德森p沟道MOSFET晶体管。比较器检测 LDO 输入何时下降 低于 LDO 输出 10mV 电压，然后将 PMOS 主体和栅极切换至 LDO 输出，防止反向电流传导。

这一创新功能可保护负载和LDO免受意外输入短路的影响，使系统更加故障 宽容。

图7.MAX38902A/B/C/D反向电流保护

短路和热过载保护

MAX38902A/MAX38902B/MAX38902C/MAX38902D通过限流和热过载提供输出短路保护 电路。如果输出短路至GND，则输出电流限制为700mA （典型值）。在这些条件下， 零件迅速升温。当结温达到165°C时，热限流电路关断输出 装置。当结温冷却至150°C时，输出重新导通以重新建立稳压。虽然故障 持续存在，当结温在 150°C 和 165°C 之间摆动时，输出电流循环打开和关闭。

用于便携式设备的低功耗、小尺寸LDO

便携式设备需要小巧轻便，并且必须持续足够长的充电时间和 在空闲或睡眠模式下甚至更长的时间。因此，为便携式设备供电的LDO不仅必须很小 但能够在运行时提供几百毫安的电流，并在待机或关断时消耗最小电流 模式。

低静态电流

例如，MAX8880的静态电流低于4μA，负载高达4μA 200mA（图8）。一系列两个锂聚合物，40mAh电池是为小型便携式设备供电的良好候选者。消耗4μA电流时，该器件（待机模式）的保质期约为一年，然后电量耗尽！在停机模式下，该器件的电流消耗甚至更低，典型值为 1.5μA。

图8.MAX8880电源电流

电池反接保护

电池反接保护允许输入变为负极，而不会从GND或OUT吸收大量电流。 这对于使用 9V 电池运行的应用非常有用，因为电池连接器可以轻松临时接触极性相反的端子。

MAX8880具有独特的保护方案，当V电压时，将反向电源电流限制在1mA以下在是 被迫地下。电路监视IN的极性，断开内部电路和寄生 二极管（图 9 中的开关 1、2 等）当电池反转时。此功能可保护设备免受 电池向后连接时的电气应力和损坏。

图9.MAX8880电池反接保护

本电路实现电池反接保护（输入低于地电位），但不实现反向电流保护 （输入低于输出10mV）前面讨论过。

晶圆级封装

在消费电子和无线通信应用中，尺寸是一个主要问题。微型4G基站体积小 足以放入背包，并且仍然非常强大。在这里，为RF部分供电的LDO必须很小，并且 功能强大，可提供数百毫安的功率。MAX38902 LDO系列的C和D版本采用晶圆级 用于提高小型化的包装 （WLP） 技术。图10显示了500mA LDO稳压器在 WLP-6封装占用的空间大约是TDFN-8占用空间的四分之一。WLP-6 解决方案非常适合 适用于需要最小 PCB 空间的应用。

图 10.MAX38902C/D WLP-6封装优势

适用于工业和汽车应用的耐高压LDO

汽车中的低密度控制器

LDO 是汽车环境的良好候选者。通过直流操作，LDO 不会产生 电磁干扰（EMI），防止污染汽车收音机AM频率，这是一个经常出现的问题 通过切换调节器。在汽车应用中，LDO在接口时为MCU、CAN或I/O供电 直接到电池。LDO 必须承受电池电压，在完全 充电的电池。采用启动/停止技术的车辆在发动机启动时会遇到较大的电压骤降。 电源的下限远低于典型的12V，可以是6V或更低。如果出于任何原因 交流发电机在充电时与电池断开连接，总线电压经历电流“转储”， 导致严重的过压（通常为60V）。

工厂中的低密度控制器

智能工厂越来越依赖小型且无处不在的传感器来运行。传感器通常由电源供电 通过隔离的 24V 直流电源。然而，工厂车间可能是一个非常具有挑战性的环境，长期 电缆和强 EMI 导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器 必须承受42V或60V的电压瞬变，这些电压瞬变远高于传感器的工作电压。 根据 SELV/FELV 法规，处理高达 60V 的隔离设备被认为是安全的触摸。 通过添加专用TVS设备，可以提供60V以上的保护。

工业和汽车应用的特点是工作温度范围宽。这里是引线框架 封装，更能耐受温度引起的PCB表面机械应力，往往是优选的。 MAX6765 LDO工作在4V至72V输入电压，可提供高达100mA电流，符合AEQ-C100标准。 它是工业和汽车应用的理想选择。其耐热性能增强型TDFN-6封装如图11所示。

图 11.MAX6765 TDFN-6耐热增强型封装 （3mm x 3mm x 0.75mm）。

在具有12V输入、5V输出和+125°C环境温度的汽车应用中， （基于图 12 中的 SOA），耐热性能增强型 TDFN-6 封装可以耗散 600mW，同时限制 负载电流达 86mA （600mW/7V）。

图 12.MAX6765最大功耗与温度的关系

在类似的应用中，输入为24V而不是12V时，负载电流将限制为31mA （600mW/19V）。

用于数字内核电源的大功率LDO

MAX8556为大功率LDO，可为负载点（POL）、存储器、存储器提供高达13.6W （4A、3.4V）的峰值功率。 以及服务器和存储主板应用程序中的 CPU 负载。LDO的精度、压差和总电压 正常运行所需的裕量也会极大地影响应用的电源效率。

LDO 直流精度

许多参数会影响LDO输出电压精度。例如，MAX8556 数据手册规定LDO反馈（基准电压源）精度为500mV±1%（±5mV），裕量为200mV，裕量为200mV，裕量为200mV。 包括线路和负载调整率。如果使用增益 d = （R1 +R2）/R1 = 3 （图 2） 的电阻分压器 输出，则1.5V输出具有±5mV x 3 = ±15mV的基准相关误差。

如果电阻有误差？，则电阻的精度相关误差为：

电阻精度为 ？= ±1%，R1 = 5kΩ 和 R2 = 10kΩ，误差为：

e% = ±100 × [（10/15） × 2 × 0.01]/0.99 = ±1.34%。

与 V外= 1.5V，误差为±20mV。

在这种情况下，1.5V或±2.3%的总直流精度为±35mV。

LDO 总裕量

许多参数有助于LDO正常工作所需的输入至输出电压。 我们已经看到，直流精度±为35mV，MAX8556需要200mV裕量才能工作。 适当地。线路和负载瞬变是导致满足必要裕量问题的其他因素。A 2A 负载电流阶跃（负载瞬态）引入 ±20mV 的输出电压误差（图 13）。

图 13.MAX8556负载瞬态响应

0.7V 线路电压阶跃（线路瞬态）会引入 ±5mV 的输出电压误差（图 14）。

图 14.MAX8556线路瞬态响应

在这种情况下，最差情况下的总余量为：
Vh= 200mV + 35mV +20mV + 5mV = 260mV。

虽然功耗是LDO的致命弱点，但具有260mV输入至输出裕量的1.5V、100mA LDO将 产生可观的85%效率（1.5V/1.76V），可与一些最好的开关稳压器相媲美。正确使用， LDO的品质可以被利用，而不必遭受其缺点。

电源包

MAX8556 TQFN-16封装（图15）底部有一个裸露的散热焊盘。该垫提供低散热 用于将热量传递到 PCB 的电阻路径。这种低热阻路径承载了大部分热量 远离 IC。PCB实际上是IC的散热器。

图 15.MAX8556 TQFN-16裸露焊盘电源封装（3mm x 3mm x 0.75mm）。

芯片提供的连续功率取决于IC到PCB的安装方法和铜区域 用于冷却。使用JEDEC测试标准，封装中允许的最大功耗为2667mW。这 数据是在+70°C环境温度和+150°C最大结温下获得的。测试板有 尺寸为 7.62 厘米 x 7.62 厘米（3 英寸 x 3 英寸），四层 2 盎司铜和 FR-4 材料，62mil 饰面 厚度。

总结

图16简单表示了这四类LDO在电压-电流方面的能力 空间。

图 16.LDO V-I 应用领域一览。

结论

LDO 几乎在每个现代电子设备中都有一席之地。结果是适合 最多样化的应用。在本教程中，我们回顾了四类主要的LDO应用：

用于有线和无线通信的低噪声、高PSRR LDO

用于便携式设备的低功耗、小尺寸LDO

适用于工业和汽车应用的耐高压

用于数字内核电源的大功率LDO

我们讨论了每种应用的挑战，并借助特定的LDO示例提供了解决方案。

审核编辑：郭婷