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線性穩(wěn)壓器LDO應(yīng)用時(shí)的PCB設(shè)計(jì)
2023-03-29 902次

DC/DC變換器已廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)電子系統(tǒng)中,如移動(dòng)通信終端、便攜式電腦、PDA等。低電壓、低壓差(Low Dropout)線性穩(wěn)壓器LDO在功能上屬于DC/DC變換器中的降壓變壓器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲、低功耗以及小封裝和較少的外圍應(yīng)用器件等突出優(yōu)點(diǎn),在便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

 

LDO概述

  LDO(Low Dropout)線性穩(wěn)壓器,比傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器有更高的電源轉(zhuǎn)換效率,而比開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、更低的成本和更低的噪聲特性,因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來(lái)越受歡迎。LDO線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器成為當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品中最常用的兩類電源管理電路。

  LDO有Bipolar(雙極性)和CMOS(單極性)兩種。一般而言,雙極性芯片可以工作在較高的工作電壓下,并且有較高的跨導(dǎo),容易設(shè)計(jì)。而CMOS的最佳特性是它的輸入端僅需要極小的偏流。

LDO的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路等。

 

  LDO原理

  根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài),我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類:線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此外,還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。在這里我們只討論LDO線性穩(wěn)壓電源,下面以線性穩(wěn)壓器ICW2231為例來(lái)進(jìn)行分析:

  首先,ICW2231系列產(chǎn)品是合肥艾創(chuàng)微電子科技有限公司以CMOS工藝制造的18V耐壓、低功耗、高PSRR,高精度低壓差線性穩(wěn)壓器。內(nèi)置固定電壓基準(zhǔn),溫度保護(hù),限流電路,相位補(bǔ)償電路以及低內(nèi)阻的MOSFET,達(dá)到高紋波抑制,高精度低壓差的性能。

  ICW2231系列兼容體積比鉭電容更小的陶瓷電容,而且不需使用0.1uF的By-pass電容,更能節(jié)省空間。

  ICW2231系列的高速響應(yīng)特性能應(yīng)付負(fù)載電流的波動(dòng),所以特別適合使用于手持及射頻產(chǎn)品上。

  

 

1

  圖1為ICW2231的功能示意圖,其基本電路由串聯(lián)調(diào)整管、取樣電阻、比較放大器組成。

其基本工作原理:上電時(shí),使能腳處于高電平,電路啟動(dòng),恒流源電路提供偏置,基準(zhǔn)源電壓快速建立,輸出隨著輸入上升,當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí),由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值,此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大,再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出,從而形成負(fù)反饋,保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上,同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化,這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變,即:Vout=(R1+R2)/R2 *Vref。

 

  LDO相關(guān)參數(shù)

  (1)輸出電壓(Output Voltage)

  輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù),也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用穩(wěn)壓器時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù)。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便,而且由于輸出電壓是經(jīng)過(guò)廠家精密調(diào)整的,所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設(shè)定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值,不可能滿足所有的應(yīng)用要求,但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。

  (2)最大輸出電流(Maximum Output Current)

  用電設(shè)備的功率不同,要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常,輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本,在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中,應(yīng)根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。

  (3)輸入輸出電壓差(Dropout Voltage)

  輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下,該電壓壓差越低,線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如,5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器,只要輸入5.5V電壓,就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

  (4)接地電流(Ground PIN Current)

  接地電路IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí),輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流,但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調(diào)整管元件時(shí),這種習(xí)慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。

  (5)負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation)

  負(fù)載調(diào)整率可以通過(guò)圖2中的紅線與藍(lán)線之間的壓差來(lái)定義,壓差越小,LDO的負(fù)載調(diào)整率就越小,說(shuō)明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。

  

 

2

  (6)線性調(diào)整率(Line Regulation)

  線性調(diào)整率可以通過(guò)圖3中的紅線與藍(lán)線之間的壓差來(lái)定義,壓差越小,LDO的線性調(diào)整率越小,輸入電壓變化對(duì)輸出電壓影響就越小,說(shuō)明LDO的性能越好。

  

 

3

 

LDO應(yīng)用時(shí)的PCB設(shè)計(jì)

  PCB板設(shè)計(jì)要點(diǎn):要得到一個(gè)穩(wěn)定和低噪音的穩(wěn)壓電路或系統(tǒng),要小心安排PCB板的布局結(jié)構(gòu),所有的器件必須靠近LDO,可以把PCB板按功能分成幾塊,如圖4所示。

  

 

4

  (1)保持通路在輸入電壓Vin、輸出電壓Vout之間,輸入電容Cin、輸出電容Cout接地要短,以降低噪音和干擾;

  (2)采樣電阻R1、R2和反饋電容CFB必須保持靠近芯片的FB反饋腳,以防噪音;

  (3)大面積地直接連接芯片的GND地腳和輸入電容Cin、輸出電容Cout的負(fù)端。

  

 

  

 

  LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)在設(shè)計(jì)時(shí)所需要注意的事項(xiàng)

  (1)LDO最大輸出電流

  按照2/3原則選擇,即電路總消耗電流的3/2倍,若電路總消耗電流50 mA,那么LDO的最大輸出電流為75mA。

  (2)封裝散熱以及功耗

  功耗=(輸入電壓-輸出電壓)*工作電流,按照1/2原則選擇LDO封裝,達(dá)不到的在PCB上應(yīng)增加散熱面,功耗大的可以安裝散熱片。

  (3)注意壓降

  壓降=輸入電壓輸出電壓之間的壓差,壓降符合LDO規(guī)格才能穩(wěn)定輸出,不然輸出達(dá)不要求,如壓降2V的LDO,想要輸出電壓5V,輸入電壓就要7V。

  (4)靜態(tài)電流

  靜態(tài)電流指的是LDO工作本身需要消耗的電流。特別是用電池供電的產(chǎn)品,需要選用較低靜態(tài)電流的LDO以提升產(chǎn)品的待機(jī)時(shí)間。

  (5) 濾波電容

  參考LDO規(guī)格書(shū)要求,選用合適的電容,選用容量過(guò)小的電容,輸出的電壓可能會(huì)不穩(wěn)或者紋波比較大。如果輸入的電源紋波本身就比較大,輸入和輸出端建議選用更大容量的電容;電容的耐壓值也需要注意,一般使用2倍原則來(lái)選用。假如輸入端電壓為24V,那么最好選擇50V耐壓的電容,如果耐壓值實(shí)在達(dá)不到2倍也不能少于1.5倍。否則設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是不可靠的。

 

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