线性稳压器LDO选择与使用技巧

HelloEE · 发表于 2019-12-4 09:32

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本帖最后由 HelloEE 于 2019-12-4 09:32 编辑

在做电源实验时，经常能够听到：电源芯片怎么这么烫；电源芯片又又又烧了。发生这些问题的原因大多数情况是在设计原理图时，同学们经常直接照着典型应用电路设计，更甚者是网上搜一个别人的设计就用。不重视器件工作原理和性能特征，虽然表面上也能达到输出电压的要求，但是这里面存在很多设计隐患。
在一个设计项目中，我们设计最多的就是电源，给我们板子上不同的器件输出不同的电流电压。LDO（线性变换器）可以得到不同的直流电压输出，成本低、性能好，且使用起来也很简单，让LDO稳压芯片用的也越来越多，几乎每块开发板都有其身影。

LDO电源芯片虽然用起来比开关电源简单许多，但是在设计过程中我们要结合项目的使用场景，选择合适的LDO，否则也会出现开头说的电源芯片发烫或者烧了的情况。

☞ 在开始选择并设计LDO电路前，我们需要明白LDO的工作原理

在LDO回路中的晶体管运行于线性区，就像放置了一个可调电阻在输入与输出之间，勉强承受两个节点之间的电压降。VIN12v进来，VCC输出，晶体管Q1做调节，反馈的电路电阻判断输出电压达到多少伏，再反过来控制晶体管的导通角度。通过调节晶体管Q1的线性工作点，能够让输出的电压稳定在某一个值。因为LDO没有开关器件，完全靠晶体管的导通角度来控制输出，所以LDO的噪声是uv级别的。☞ LDO的效率为：ηLR=Vo/Vin，从上面的介绍的原理看，LDO的输入输出的电流是一样的，输入输出的电压是不同，电压差就完全靠Q1来承受。

从上面的曲线图可以看出来随着压差的增大，效率就越低。假如LDO的输入是12v，输出是6v，工作效率就是50%。当然，如果有需要低压差的场景，比如5v输入，4.5v输出，这样效率就能达到90%。但这样的场景毕竟是少数，而且需要非常低压差的LDO实现。

我们大部分常见的电源转换电路，比如5v转3.3v，转2.5v。压差比较大是对LDO效率非常大的挑战。

在使用LDO的过程中，我们需要十分注意LDO效率与电流的问题。LDO效率低并不是非常可怕，怕是当电流比较大的时候，大部分的功率就损耗在晶体管Q1上，晶体管会产生热量，当晶体管温度达到一定高度时，就LDO无法保证正常工作了。

☞ LDO非常重要的参数——LDO压降（VDO)，是指输入与输出之间能够维持正常工作的最小压差。要维持内部的工作，晶体管的PN结是有压降，所以这个压降是一定会存在，而且是消除不了。

从上图，我们可以总结两点：LDO的输入必须比输出高，即VIN=VOUT+VDO；随着流过LDO的电流增大，维持LDO正常工作的压差也会随即增大。这也是在做LDO设计的时候不得不考虑的点。

☞ 压差的存在，系统电流又是恒定的，LDO压降产生的功率全都集中在了晶体管上。温度超过额定温度之后，LDO就会停止工作。所以在设计过程中，另外一点就是LDO损耗功率和发热的问题。

LDO的最大功率损耗(PD)的定义是：

PD= [VIN(max)-VOUT]*Iout+ IQ*VIN(max)

上面的公式可以认定为损耗在晶体管上的功耗，红色部分是静态功耗，通常只占到损耗功率的1%以内，可以忽略不计，只需要考虑输入输出之间的压降带来的功率损耗。

LDO的结温(TJ)是：

TJ 超过额定的温度后，芯片就会烧掉，所以我们要怎么控制这个温度。增加散热器是为了增加散热器到空间的散热效果，可以把热量尽快的散出去，确保内核温度TJ 不会超过最大的规格书标定的可以正常运行的结温TJ 。

除了散热器之后，LDO芯片不同封装有不同的热阻，依照最大PD选择正确的封装形式。下图三种不同封装，有不同的内核热阻，结温的效果差异非常大：

☞ 为了系统更稳定，LDO在输入输出端经常可见滤波电容，输入电容CIN和输出电容Cout。对于输入电容选择不合适，就会在瞬态突变负载时进入跌落状态；而输出电容则影响稳定性和瞬态响应。如果Cout的类型和/或值没有选择恰当，一些LDO可能存在稳定性问题。一般来说，较大的Cout值会减少峰值偏移，改善瞬态响应。通常，用于暂态响应的最佳Cout是不同类型电容器并联组合。

在设计LDO电路的时候，大多数人会直接根据典型应用电路设计。但是以后要记得在设计电路前，查看芯片规格说上关于电容大小的说明：

☞ 在一些仪器仪表应用场合，既需要非常低的噪声，又希望获得更大的电流，这就不得不通过并联LDO的方式实现。

这里有个问题，传统的LDO输出电压是靠两个电阻的反馈去控制晶体管的工作线性。但是两个电阻都是有误差的，如果一个电阻正偏1%的误差，一个反偏1%的误差，输出的误差就会增加一倍为2%。

考虑到我们的要求是两个LDO并联需要更大电流的时候，如果一个LDO输出是3.3V，另外一个并联的LDO不是3.3V，这时候两个LDO的电流是不平衡的。同一个负载输入电压高的那一路，电流一定比较大，所以传统的LDO做并联是非常糟糕的，两个LDO会相继炸掉。

这时，就需要对LDO的内部工作结构进行创新，从由两个电阻控制晶体管工作，改变为反馈电压直接回来，这样设计使得LDO极大改善了电压调节能力和瞬态响应。

新的LDO用电流作为基准，直接通过反馈控制工作状态，不需要更复杂的反馈电阻，所以输出电压降到0也是可能的。只需要一个电阻设置基准点，就可以控制输出电压。输出电压直接到负反馈，电流是恒定的，通过调节电阻，就相当于设置基准电压，即使两个LDO并联，误差对电流的影响已经非常小了。最后，虽然LDO简单好用，但是LDO这些隐藏的“坑”直接影响你的设计结果。在设计前，多思考一步，就会少烧一颗芯片。