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線性穩(wěn)壓器設(shè)計時五個要考慮的因素是什么?
文章來源:永阜康科技 更新時間:2021/7/9 11:45:00
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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(fù)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(xì)節(jié)處理。如果負(fù)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(shè)計采用電池供電,則對靜態(tài)電流的要求也會非常嚴(yán)格。

現(xiàn)在,您已經(jīng)將范圍縮小到那些能夠滿足具體應(yīng)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。

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(guān)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(jìn)到該電流限值。由于輸出電容充電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大負(fù)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(fù)載啟動的瞬態(tài)電流傳遞到輸入。

使能負(fù)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(fù)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(fù)載電流超過軟啟動電流,負(fù)載本身將進(jìn)入欠壓狀態(tài),造成復(fù)位。隨著負(fù)載電流的打開和關(guān)閉,這種循環(huán)會不斷持續(xù)。最后軟啟動電流達(dá)到足夠高的水平,能夠支持負(fù)載供電,釋放復(fù)位,負(fù)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(dāng)下游電路開啟時不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能防止負(fù)載多次進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),因為輸出電壓僅穿越負(fù)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(fù)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(shè)置輸出電壓斜率。將浪涌電流設(shè)置為小于最大負(fù)載電流的10%,為負(fù)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(fù)載變化有關(guān),不能直接控制;優(yōu)點是能夠避免系統(tǒng)多次復(fù)位。


圖1 所示為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(fù)載電路可短暫工作,然后長時間處于待機(jī)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(fù)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(shè)隨著電池電量的消耗,使得輸入與輸出之間的壓差達(dá)到很小的狀態(tài)。此時的線性穩(wěn)壓器,即使負(fù)載電流非常小,也會強(qiáng)制FET導(dǎo)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(jī)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(shè)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(shè)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(guān)系的典型工作特性曲線中給出壓差與電源電流的對應(yīng)關(guān)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(yīng)用,如果低壓差條件下的靜態(tài)電流非常重要,應(yīng)選擇提供該信息的LDO,或者進(jìn)行實際測量,確定性能滿足要求。

3.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)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(fù)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(dá)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(wù)必檢查瞬態(tài)響應(yīng)。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(fù)載預(yù)偏置與1%負(fù)載預(yù)偏置相比,輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負(fù)載從空載變?yōu)闈M載,要想獲得較好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較困難。

保證穩(wěn)壓器輸出負(fù)載最小在一定程度上可以規(guī)避大的負(fù)載瞬變,但這不是有效的解決方案。當(dāng)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(fù)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(fù)載階躍,輸出則出現(xiàn)下沖,比第一次更為嚴(yán)重。

如果存在任何快速開啟、關(guān)斷負(fù)載的情況,最好在類似條件下檢查每個穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。(圖3)所示為雙脈沖負(fù)載瞬變期間的性能。


圖3. 雙脈沖負(fù)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(shè)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(fù)載對電源紋波都非常敏感。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器時,PSRR比輸出噪聲問題更嚴(yán)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(fù)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(dá)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(biāo)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(guān)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(zhǔn)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(luò)將輸出設(shè)置為16V,那么輸出噪聲將增大到5uVRMSx (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(fù)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(hù)

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(hù)

有些情況下,輸入電壓可能接反,導(dǎo)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(hù)允許輸入引腳電壓低于地電位,不會吸收顯著電流。為達(dá)到這一目的,需要通過串聯(lián)開關(guān)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(hù),也需要去除該二極管的影響,并采取不同的保護(hù)器件,參見(圖6)。

MAX1725是一款具有反向電壓保護(hù)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(hù)。

6、反向電流保護(hù)

線性穩(wěn)壓器的反向電流保護(hù)很容易與反向電壓保護(hù)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(dǎo),但控制方法完全不同。(圖7)所示為反向電流保護(hù)工作原理。

對于較高容性負(fù)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(shè)該線性穩(wěn)壓器由大電流降壓轉(zhuǎn)換器供電,關(guān)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(guān)斷事件期間,由于負(fù)載電容網(wǎng)絡(luò)同時通過線性穩(wěn)壓器的體二極管進(jìn)行放電,線性穩(wěn)壓器可能被損壞。

具有反向電流保護(hù)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(dǎo)通,在觸發(fā)保護(hù)電路之前,會有少量反向電流流通。注意,反向電流保護(hù)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(hù)那樣。MAX8902是一款具有反向電流保護(hù)的器件,在輸入短路至地時可阻斷負(fù)載電容的電流倒灌。


圖7. 反向電流保護(hù)。

 
 
 
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