线性稳压器内部原理

全世界第一颗集成电路线性稳压器1970年面世
著名的LM317,1976 (National Semiconductor)Robert Dobkin and Bob Widlar designed
大家有没有想过线性稳压器是怎么稳压的呢?为什么线性稳压器输出端的电压就能这么的稳定?
其实大家好好联想一下生活中或者工作中的各种例子:一个稳定的系统,最重要的是什么?
比如说你的家庭,一个幸福的家庭,里面的成员之间最重要的是什么?是沟通。
没错,就是沟通,放在系统里面它有另一个名字——反馈。
你只需要一个反馈系统,就你那个保证输出电压的稳定,请看下面这张图:
线性稳压器LDO - 图1
是的,没错,我们的高考生又出现了。
如果我们用一个调整管Q1(可以根据信息改变自己电压输出,就当成水龙头就行)代替R1;R2就相当于我们的负载电路。
线性稳压器LDO - 图2

这样的话,我们可以通过检测输出端的电压,反馈给我们的比较器,再由比较器给我们的Q1,Q1通过反馈过来信息在控制自己的输出电压是多少,以此来达到一个稳定的输出。
晶体管Q1有什么特点:

  • 就像在输入和输出之间放一个电阻来勉强承受两个节点之间的电压降
  • 输入输出电流相同,因此,压差和电流的乘积,变成了LDO的热耗散功率
  • 工作效率=输出功率/输入功率从而转换效率与输入输出压差成反比。热耗散功率与输入输出压差成正比。

    分析一些LDO的经典电路

    经典电路7850

线性稳压器LDO - 图3
非常典型的一个三端稳压器,我老师说他上学时,他老师经常举这个例子,一个输入电容,一个输出电容,三脚一个地。
线性稳压器LDO - 图4
它内部的原理图是这样的,上面使用一个低功率的MOS管来驱动一个大功率的MOS管,也就是调整管部分,下面就是那个反馈电路。

经典电路LM1117

线性稳压器LDO - 图5
这个稳压器对于新进的工程师来说绝对不陌生,几乎所有的电源电路中都能见到。
Vout可调,默认的话直接ADJ接地,3.3V或者5V;想调压可以通过改变电阻R2的阻值。
他的内部原理也是一样的,调整管部分和检测反馈电路部分。
其实大多数工程师在设计LDO电路的时候,参考线性稳压器的数据手册里面的典型电路就行,人家怎么说,咱们就怎么做。

使用LDO的关键性能参数

最小压降

最小压降决定你的电路能不能正常工作。
举个例子:
线性稳压器LDO - 图6
大家觉得这个电路可以正常工作吗?
查一查AMS1117工作手册就能发现
线性稳压器LDO - 图7
当输出电流为1A的时候,压降的典型值是1.3V,而锂电池正常工作状态时电压范围是4.5V—3.3V,你想要3.3的输出,3.3+1.3=4.6V。
线性稳压器LDO - 图8
锂电池根本提供不了这么大的电压输入,所以这个电路是很难工作的。

最小压差又和什么有关呢?

和调整管的设计有关,感兴趣的可以私底下去查一下。

线性稳压器LDO - 图9
有这样几个特点:

  • 不同的芯片设计工艺和结构,压降不同
  • 压降和工作电流有较大关系(调整管有一个内部阻抗的)
  • 电流越大,温度越高,压降越大
  • 压降越小某些时候可以优化效率,当然也越贵

    输入电压

    热插拔效应,其实每一个导线就类似于电感,有电感就少不了振荡。可能5V的稳压,当刚插进去的时候能达到10V。
    线性稳压器LDO - 图10
    所以输入电压的选择尽量遵守下面几点:

  • 器件耐压要考虑输入电压的最高瞬态值

  • 长导线的输入电压电缆要考虑浪涌电压
  • 耐压越高,通常价格越贵
  • 通常按2倍以上取耐压值比较安全

    输入电流

    这个就好理解了,不能小马拉大车嘛,输出不了需要的电流肯定是没办法让电路正常工作的。线性稳压器LDO - 图11
    选择的时候注意以下几点:

  • 芯片的输出电流能力,表征的是理想状况

  • 实际输出能力与输入输出压差及电流相关
  • 需要的输出电流越大,散热问题越严重
  • 通常大电流应用,用开关电源替代LDO

    热阻参数

    常看三个参数:
    TJMAX:芯片内核正常工作的最高温度
    0JC:芯片内核到芯片外壳的每W温升
    0JA:芯片内核到外部环境的每W温升

线性稳压器LDO - 图12
我们最应该关注的是0JA这个参数。
5V转3.3V电流0.5A环境温度25°C:芯片温度=25+(5-3.3)x0.5x40=59°c

纹波/噪声

线性稳压器LDO - 图13
记住一个重要参数PSRR,输出比输入,然后20log一下。
以及下面几个特点:

  • LDO的纹波噪声通常小于0.1mV
  • 开关电源的纹波噪声通常大于10mV
  • PSRR是非常重要的噪声抑制指标
  • 越是低频的噪声,越难抑制

    瞬态响应

    瞬态响应,可以通过增大电容来抑制,但不能消除,而且注意电容也不能太大了,不然会延长再次稳定的反应时间。
    线性稳压器LDO - 图14

  • 电源稳定性的重要参数

  • 系统偶发性复位,可能是电源瞬态响应差
  • 瞬态响应和负载电流突变幅度有关
  • 瞬态响应和负载电流突变斜率有关