浅谈电压稳压器的关键参数

01 输入电压范围/绝对最大额定值

选择电压稳压器产品时，必须确认施加在电压稳压器上的电压在输入电压范围内（工作电压范围内）且在绝对最大额定范围内。

在CMOS工艺中，由于耐压和小型化（元件尺寸）是相反的关系，所以如果选择输入电压范围大、绝对最大额定值高的产品芯片，那么芯片尺寸往往会增大，而性能往往会降低。

根据实际应用，选择最佳的输入电压范围和绝对最大额定值的产品是很重要。

输入电压范围

输入电压范围是指“IC可正常工作的输入电压范围”。

从根本上说，IC的设计就是为了在输入电压范围内正常工作。因此，必须选择实际输入的电压在输入电压范围内的产品。

反之，如果IC的工作电压超出了输入电压范围，则可能导致：

(a) 输出规格外的特性

(b) 导致IC内置功能出现故障

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT	CIRCUIT
Input Voltage	VIN		1.6	-	6.0	V	①

绝对最大额定值

绝对最大额定值为“即使瞬间超过该范围，IC也有可能破坏的电压、电流、温度”。如果瞬间超过绝对最大额定值的话，也可能导致损坏或性能下降，所以设计时要注意不要超过该范围。  

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

(*1) The maximum rating corresponds to the lowest value between VIN+0.3V or 6.5V.

PARAMETER	SYMBOL	RATINGS	UNITS
VIN Pin Voltage	VIN	-0.3 ~ 6.5	V
VOUT Pin Voltage	VOUT	-0.3 ~ VIN + 0.3 or 6.5 (*1)	V
CE Pin Voltage	VCE	-0.3 ~ 6.5	V

VIN端子的绝对最大额定值记载为-0.3V~+6.5V，必须避免施加超出该范围的电压。

另外需要注意，如VOUT端子那样较高一端的规格规定为“VIN+0.3V 或 6.5V”时，则两者中较低的电压将作为绝对最大额定值使用。

02 输出电压（设定方法/电压范围/电压精度）

输出电压设定方法

电压稳压器的输出电压的设定方法大致分为两种。

第一种类型是“输出电压固定型”在IC内部设定输出电压的类型，这种电压稳压器占大多数。

这种类型的主要优点是只需选择所需输出电压的型号即可，设计简单，无需外部元件，输出电压精度高。

第二种类型是“输出电压外调型”。一般可以用两个外置电阻调整输出电压。因为可以用一个产品或型号制作多个输出电压，所以具有输出电压调整方便和元件集成等优点。

输出电压固定型

输出电压外调型

输出电压范围

输出电压范围是电压稳压器能够输出所需特性的输出电压范围。

“输出电压固定型”中，可选择的输出电压已确定，从中选择输出电压。

“输出电压外调型”中，在输出电压范围中规定的范围内设定输出电压。如果设定在输出电压范围外，则无法获得所需的特性和功能，并可能导致故障。

输出电压精度

输出电压的电压精度。

一般的情况下规定特定的输入电压、输出电流下的输出电压精度。

“输出电压外调型”中，输出电压的调整需要外部元件。因此，外部元件的电阻偏差会降低电压稳压器整体的输出电压精度。

“输出电压固定型”中，反馈电阻包含在IC内部，因此不会因外置电阻而导致精度降低。

03 最大输出电流

这是电压稳压器输出电流的最大值。

以最大输出电流200mA的产品为例，介绍如何读取和描述电气特性。

规定为MIN. 200mA的意思是“即使考虑到制造偏差，最低也可以输出200mA”。如果该值由TYP.规定，则表示“MIN.偏差程度不明确，因此采用了这样的规定。

如果超过最大输出电流时，电流限制功能将启动，输出电压下降。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT	CIRCUIT
Maximum Output Current	IOUTMAX		200	-	-	mA	①

接下来是“输出电压和输出电流”特性。

在图表左上角，从标有“设定输出电压”的0mA点开始。

电流增加的话，在蓝色的稳定状态这条线上向右侧转移，通过写有最大输出电流的黑色虚线部分，此时这里的电流是200mA。

如果电流持续处于这种状态，很多电压稳压器都会启动电流限制功能。

在本次的例子中，使用的由蓝和绿的线构成的电流限制特性，因为与字母“f”相似，所以通常也被称为“f”字符特性。 电流限制功能的特性例

04 电流限制

电流限制功能是指当电流过大时，用于保护IC和后级设备的功能。

电流限制功能启动后，电压稳压器的“输出电压-输出电流”特性因产品而异。一般是折返电路（f字特性），除此之外还有下垂特性等类型、下垂型和折返型的复合型等。

以最大输出电流200mA产品的折返特性的电流限制为例，说明实际的电流限制操作。

a点 – b点	从0mA向右侧输出电流增加。
b点 – c点	最大输出电流超过200mA，达到260mA时电流限制功能启动。
c点 – d点	输出电流随着输出电压的下降而减小。 最终为输出短路状态（0V），输出电流为短路电流的50mA。 短路期间的热损耗可以通过“输入电压x短路电流”来计算， 将控制为VIN 4V×50mA=200mW。

 

05 输入输出电压差

维持设定输出电压所需的输入和输出之间的电压差是输入输出电压差。

输入和输出之间的电位差达到一定的值，维持设定输出电压的电压差，可以看作是●●mA时所需的▲▲mV。

输入和输出的电压差在输入输出电压差以下时，输出电压下降。

一般来说，输入输出电压差与“驱动器FET的导通电阻”和输出电流成正比。因此，需要根据实际使用的输出电流计算输入输出电压差。

下面举例说明。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNITS
Dropout Voltage	Vdif	IOUT=300mA, VOUT=5.0V	-	120	200	mV

 

在设定输出电压3.0V的产品中，输出电流100mA维持3.0V的输入输出电压差为240mV。即对于输出电压3.0V，输入电压需要在3.24V以上。

由于输入输出电压差与输出电压呈线性关系，因此当输出电流只有50mA （即100mA 的一半）时，输入输出电压差也是一半，为120mV。此时，维持3.0V所需的输入电压为3.12V以上。
也就是说，输入电压低于3.12V时，如果输出电流为50mA，则无法维持3.0V的输出电压，输出电压就会下降。

输入输出电压差和导通电阻存在以下关系。

导通电阻Ron＝输入输出电压差Vdif ÷ Iout（输入输出电压差条件下的Iout值）

导通电阻越小的产品，输入输出电压差越小。例如对于想要将输出电压维持到电池电量即将耗尽的应用，输入输出电压差小的产品是最合适的。

06 负载调整率

负载调整率被称为“负载调整”，是表示在输出电流变化前后，输出电压变化程度的特性。

在电气特性上，表示输出电流从某mA变化到某mA时，输出电压会变化多少mV。
在一般的线性型电压稳压器中，增大输出电流时输出电压会降低。

在下面的例子中，可以看到从1mA变化到50mA时会降低50mV。 电压稳压器(XC6216 VOUT=5.0V)

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNITS	CIRCUIT
Load Regulation	△VOUT	1mA≦IOUT≦50mA, VCE=VIN	-	50	90	mV	①

电压稳压器（XC6216 VOUT=5.0V）：输出电压vs输出电流特性

07  线性调整率

线性调整率被称为“线路调整”，是表示“输出电压随输入电压的线性变化而变化”的特性。
 
无论输入电压如何，输出一定的输出电压是最理想的。

 ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT
Line Regulation	ΔVOUT/ (ΔVIN・VOUT)	VOUT(T)+2.0V≦VIN≦28.0V IOUT=5mA	-	0.05	0.10	%/V

上述的例子中，列举了输入电压增加，输出电压也会增加这样“单纯增加”的例子，但实际上也会有不单纯的增减情况。

08  负载瞬态响应  

负载瞬态响应特性是指使输出电流瞬态（瞬间）变化时的输出电压波动量。  

理想的负载瞬态响应特性是输出电压变动小，同时尽快恢复到设定电压的特性。

 下图左侧的虚线部分表示输出电流从1mA增加到100mA，导致输出电压下降。

 右侧的虚线圆形部分，表示输出电流从100mA下降到1mA，导致输出电压上升（过冲）。    

 

电压稳压器的负载瞬态响应特性主要取决于IC的消耗电流。

主要分为“消耗电流大的高速响应型”和“低消耗电流但瞬态响应慢”两种类型。

下图为输出电流1mA到50mA的瞬态响应比较。注意这两个波形的纵轴：VOUT范围不同。

高速型电压变动：10mV

消耗电流：100μA

低消耗型

电压变动 : 500mV

消耗电流 : 0.6μA

左侧高速型的输出电压下降幅度为10mV。相比之下，低消耗型的输出电压的下降幅度为500mV，比高速型大很多。另外，恢复到设定电压的时间，高速型比低消耗型要短很多。

虽然变动幅度不能单纯地与消耗电流值成比例，但我们可以看到，瞬态响应特性的差异往往会随着电流消耗值的变化而出现。

为什么高速型和低消耗型的瞬态响应特性会产生很大的差异，从电压稳压器的工作原理来说明。

高速型的消耗电流大，可以使误差放大器的输出高速变动。由此，可高速控制驱动器FET的栅极电压，可快速改变驱动器FET的导通电阻。此操作可获得高速的瞬态响应特性。

相反，低消耗型的误差放大器的输出不能高速变动。因此，驱动器FET的栅极电压控制变慢，这也使得驱动器FET的导通电阻变化较慢。因此，即使由于瞬态变化导致输出电压降低，也不能进行高速的响应。

如果将瞬态响应特性视为 "反应速度"，那么要提高反应速度，需要增加误差放大器的消耗电流，“瞬态响应和消耗电流是权衡的关系”。

09 PSRR

PSRR是纹波抑制（PSRR：Power Supply Rejection Ratio）的简称，是输入电压的变动作为输出电压的变动能够有多小的指标。

它通常用作表示电压稳压器的瞬态响应特性的指标经常被使用。

在测量输出电流条件不同的情况下，瞬态响应特性很难比较不同产品的瞬态响应能力。

但是，PSRR比瞬态响应特性更容易调整测量条件。另外，PSRR良好的电压稳压器的瞬态响应特性往往也较快，因此将PSRR作为高速响应的指标使用。

下面用具体的例子来说明PSRR。

纹波抑制（PSRR）

当带有频率成分的电压ΔVIN输入到输入端时，输出电压变化ΔVOUT的比率。

PSRR(dB)＝20log(ΔVOUT/ΔVIN)

⇒20dB：衰减到1/10

40dB：衰减到1/100

80dB：衰减到1/1000

PSRR是在电压稳压器的输入侧施加的正弦波，在输出端能减小多少的特性。上图显示输入侧A点施加正弦波时，输出侧B点的输出电压有多稳定。

例如在输入侧施加1kHz的500mVp-p的波形，将输出端的变动抑制为5mVp-p的情况下，衰减到1/100（5mVp-p/500mVp-p），因此PSRR为40dB@1kHz。

PSRR取决于频率，规格说明中一般使用1kHz时的值，但由于规定的频率有时不同，所以需要注意频率。

现在我们来看一下实际产品的PSRR。

高速型在1kHz时的PSRR为70dB（=1/3200），但低消耗型为20dB（=1/10），两者的 PSRR 有很大的差别。一般来说，高速型PSRR的低频侧PSRR往往较高。

输入侧的摇动成分从低频到高频时IC无法响应，PSRR逐渐下降。这种情况下，无法去除的摇动成分会传递到输出侧。

如果更高频的话，PSRR从下降趋势变为上升趋势。这表示IC无法对高频做出响应，驱动器FET的导通电阻为固定。

在该状态下，由于驱动器FET的固定导通电阻和输出容量形成RC滤波器，因此PSRR呈上升趋势。

审核编辑：汤梓红