作者：Joe Vanden Wymelenberg, Maxim Integrated核心產(chǎn)品事業(yè)部 IC設計執(zhí)行總監(jiān)
查找線性穩(wěn)壓器時，面對無限多的產(chǎn)品型號，利用參數(shù)搜索工具可以把選擇范圍縮小到少數(shù)幾個，看起來非常簡單。需要什么樣的輸出電壓？負載電流是多少？承受的輸入電壓范圍如何？穩(wěn)壓器需要工作在什么壓差下？最大輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？接下來是細節(jié)處理。如果負載對電源波動非常敏感怎么辦？可能要求極低的輸出噪聲和很高的PSRR。如果設計采用電池供電，則對靜態(tài)電流的要求也會非常嚴格。
現(xiàn)在，您已經(jīng)將范圍縮小到那些能夠滿足具體應用的器件。但這并沒結(jié)束。在最終決定之前，以下5個因素還需要考慮。
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穩(wěn)壓器如何啟動？
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接近最小壓差時，靜態(tài)電流是否依然保持在非常低？
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對于實際負載，而非數(shù)據(jù)手冊測試數(shù)據(jù)，器件的負載瞬態(tài)響應如何？
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LDO輸出紋波是否主要取決于PSRR，或者主要由LDO輸出噪聲決定？
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器件關斷狀態(tài)下的參數(shù)如何？
為什么這些問題如此重要？實際應用中，線性穩(wěn)壓器的有些表現(xiàn)可能使您感到很陌生，需要花費額外的時間診斷電路板的故障，甚至需要重新設計。
本應用筆記對LDO的上述要點進行了闡述。希望有助于您的線性穩(wěn)壓器選型和設計。
1. 啟動
大多數(shù)穩(wěn)壓器都配備了使能輸入，用于控制穩(wěn)壓器的上電或關斷，以節(jié)省功耗。帶有使能輸入的穩(wěn)壓器通常也帶軟啟動功能。軟啟動可防止穩(wěn)壓器打開時造成輸入電源過載。軟啟動通常采用以下兩種方式之一。
電流軟啟動
第一種方法是電流軟啟動。大多數(shù)穩(wěn)壓器具有電流限值；電流軟啟動是緩升或步進到該電流限值。由于輸出電容充電量遠遠小于最大負載電流，軟啟動使得輸出電壓緩慢上升。電流軟啟動的優(yōu)點是穩(wěn)壓器輸入電流穩(wěn)定上升，不會將負載啟動的瞬態(tài)電流傳遞到輸入。
使能負載時，大家可能會注意到輸出電壓斜率突然改變方向的一個點。這是因為負載電路打開并嘗試在穩(wěn)壓器處于限流的條件下啟動工作。如果負載電流超過軟啟動電流，負載本身將進入欠壓狀態(tài)，造成復位。隨著負載電流的打開和關閉，這種循環(huán)會不斷持續(xù)。最后軟啟動電流達到足夠高的水平，能夠支持負載供電，釋放復位，負載電路正常喚醒。
電壓軟啟動
第二種軟啟動是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當下游電路開啟時不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能防止負載多次進入復位狀態(tài)，因為輸出電壓僅穿越負載欠壓門限一次。
電壓軟啟動期間的浪涌電流取決于輸出電壓和輸出電壓的變化斜率，在加上負載吸收的電流。典型情況下，按照浪涌電流大約為最大額定輸出電流的1%至10% (使用推薦的最小輸出電容)來設置輸出電壓斜率。將浪涌電流設置為小于最大負載電流的10%，為負載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點是輸入電流與負載變化有關，不能直接控制；優(yōu)點是能夠避免系統(tǒng)多次復位。
圖1所示為電流軟啟動和電壓軟啟動對比。
圖1. 電流軟啟動和電壓軟啟動對比
2. 靜態(tài)電流與壓差
如果系統(tǒng)由電池供電，穩(wěn)壓器的電源電流非常重要。負載電路可短暫工作，然后長時間處于待機狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負載的靜態(tài)電流。如果是這種情況，則要考慮選擇低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。
假設隨著電池電量的消耗，使得輸入與輸出之間的壓差達到很小的狀態(tài)。此時的線性穩(wěn)壓器，即使負載電流非常小，也會強制FET導通，最大程度地減小輸入與輸出之間的壓降。工作在最低壓差時的潛在問題是，驅(qū)動穩(wěn)壓器輸出FET的柵極驅(qū)動電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機模式”變?yōu)椤半姵乜焖俜烹娔Ｊ健薄?/font>
圖2. 最低壓差條件下，MG驅(qū)動阻抗造成靜態(tài)電流增大
即使很好的IC設計，靜態(tài)電流在最低壓差條件下增大的現(xiàn)象也并不罕見。小壓差下的電源電流提高2倍很常見，有些設計甚至增大10倍或更多。有些器件在EC表或靜態(tài)電流與輸入電壓關系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對應關系。但更多情況下，數(shù)據(jù)手冊給出的是叫高壓差下的電源電流。
對于具體應用，如果低壓差條件下的靜態(tài)電流非常重要，應選擇提供該信息的LDO，或者進行實際測量，確定性能滿足要求。
3. 負載瞬態(tài)響應
負載快速變化期間，多數(shù)穩(wěn)壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。負載變化時，輸出FET柵極驅(qū)動需要隨之變化。而柵極驅(qū)動達到新水平所需的時間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過沖。
滿載時的快速瞬變會造成最差情況下的瞬態(tài)下沖。選擇穩(wěn)壓器之前，須務必檢查瞬態(tài)響應。與從1%滿載作為初始條件相比，從10%滿載開始通常會給出更好的結(jié)果；因為10%負載預偏置與1%負載預偏置相比，輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得較好的負載瞬態(tài)響應比較困難。
保證穩(wěn)壓器輸出負載最小在一定程度上可以規(guī)避大的負載瞬變，但這不是有效的解決方案。當穩(wěn)壓器從滿載躍變到輕載時，往往會發(fā)生輸出過沖。而穩(wěn)壓器從過沖狀態(tài)恢復的過程中，器件處于比較敏感狀態(tài) —— 此時的輸出FET完全沒有偏置。這種狀態(tài)下，如果出現(xiàn)另一次負載階躍，輸出則出現(xiàn)下沖，比第一次更為嚴重。
如果存在任何快速開啟、關斷負載的情況，最好在類似條件下檢查每個穩(wěn)壓器的負載瞬態(tài)響應。圖3所示為雙脈沖負載瞬變期間的性能。
圖3. 雙脈沖負載瞬變時的輸出下沖
4. 噪聲與電源抑制比(PSRR)
顯而易見，大多數(shù)設計用于低噪聲輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的PSRR。無論何種原因，負載對電源紋波都非常敏感。
使用開關穩(wěn)壓器時，PSRR比輸出噪聲問題更嚴重。比如，一個線性穩(wěn)壓器的前端使用了降壓型調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓作為輸入，而其輸出端的負載又對噪聲非常敏感。如果降壓型調(diào)節(jié)器的紋波為50mVP-P @ 100kHz，線性穩(wěn)壓器在100kHz下的PSRR為60dB，則輸出紋波為50uVP-P，等效輸出噪聲大約15uVRMS。而同一線性穩(wěn)壓器在10Hz至100kHz帶寬范圍內(nèi)的總輸出噪聲可能小于5uVRMS，由于PSRR和輸入電壓紋波，使得輸出紋波產(chǎn)生的噪聲達到穩(wěn)壓器本身噪聲的3倍，如圖4所示。
圖4. 輸出噪聲指標變差主要取決于PSRR
對于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲可能成為PSRR的決定因素。這是因為分壓后的反饋輸入噪聲增大了。假如一個線性穩(wěn)壓器將噪聲較高的升壓轉(zhuǎn)換器的17V輸出轉(zhuǎn)換為噪聲較小的16V電源，紋波小于100uV。開關頻率處的PSRR為60dB，50mVP-P升壓轉(zhuǎn)換器紋波將衰減到50uVP-P，或者輸出噪聲15uVRMS。如果采用5uVRMS低噪聲基準和反饋運放輸入，我們來看一下反饋輸入產(chǎn)生的問題。如果反饋輸入調(diào)整在1.25V，電阻反饋網(wǎng)絡將輸出設置為16V，那么輸出噪聲將增大到5uVRMS x (16V/1.25V)，即64uVRMS，這可能成為主要的噪聲源。圖5顯示了高壓輸出造成的輸出噪聲性能下降。
在查找線性穩(wěn)壓器時，如果為噪聲敏感的負載供電，通常既需要考慮輸出噪聲，也需要考慮PSRR。
圖5. 高壓輸出造成的噪聲性能下降
5. 輸入保護
線性穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管大多包含體二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出0.7V以上。大多數(shù)情況下，該二極管不是問題，但在兩種情況下會引起麻煩。
反向電壓保護
有些情況下，輸入電壓可能接反，導致極性反轉(zhuǎn)，比如放置9V電池的兩個金屬觸點。盡管連接器能夠防止電池永久性反接，但在用戶更換電池時會有幾秒或更長時間的反向電壓。
反向電壓保護允許輸入引腳電壓低于地電位，不會吸收顯著電流。為達到這一目的，需要通過串聯(lián)開關將輸出FET的體二極管斷開。大多數(shù)穩(wěn)壓器都包括二極管，防止任何引腳電壓低于地電位，防止引腳發(fā)生靜電放電，即ESD。為實現(xiàn)反向電壓保護，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護器件，參見圖6。
MAX1725是一款具有反向電壓保護的器件，允許輸入比地電位低12V，不會吸收大的電流。
圖6. 反向電壓保護
反向電流保護
線性穩(wěn)壓器的反向電流保護很容易與反向電壓保護混淆。盡管效果相似，都是阻斷輸出FET體二極管的反向電流傳導，但控制方法完全不同。圖7所示為反向電流保護工作原理。
對于較高容性負載的情況，例如，具有許多分布式電源去抖電容的音頻電路，采用線性穩(wěn)壓器供電。同時假設該線性穩(wěn)壓器由大電流降壓轉(zhuǎn)換器供電，關斷狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器將其輸出短路至地。我們會毫不奇怪地發(fā)現(xiàn)，在第一次關斷事件期間，由于負載電容網(wǎng)絡同時通過線性穩(wěn)壓器的體二極管進行放電，線性穩(wěn)壓器可能被損壞。
具有反向電流保護的線性穩(wěn)壓器在輸入電壓下降到輸出電壓以下時，斷開體二極管，可以避免這一問題。如果輸出電壓之前在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，輸出FET將導通，在觸發(fā)保護電路之前，會有少量反向電流流通。注意，反向電流保護僅僅消除從輸出到輸入的電流，但在輸入引腳電壓低于地電位時并未阻斷電流，就像反向電壓保護那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護的器件，在輸入短路至地時可阻斷負載電容的電流倒灌。
圖7. 反向電流保護
總結(jié)
我們以上討論了線性穩(wěn)壓器的一些特殊情況，這些問題可能在數(shù)據(jù)手冊或參數(shù)搜索中發(fā)現(xiàn)不了。有時候不太容易確定每款線性穩(wěn)壓器會出現(xiàn)哪種狀況，但了解潛在問題就為您查找正確的器件提供了很大優(yōu)勢。
