原文来自原创书籍:《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》
上文介绍了LDO是工作在恒流区(饱和区)的,DS之间有一定的压差,dropout voltage主要指的就是这个压差,所以LDO若想稳定工作在饱和区,输入输出之间必须满足这个压差,应用中可以考虑把datasheet中的数据预留25%的余量。比如图2-24 某LDO在Iout=150mA时,LDO不同的输出Vout对应的VDO也不同,Vout越大,需要的VDO就越小,这可以从图2-16 找到解释,当输入电压Vi(对应MOS的VD)和输出电流不变时,Vout越大那么也就是MOS的VDS越小(VDS=VDO=Vi-VO),则VDO也就越小。
图2-24 LDO手册数据截取
图2-25 是某LDO的dropout voltage与负载电流的关系曲线,可以看到如果负载电流越大,那么LDO的dropout voltage也应该越大,这也可以从图2-16 找到解释,如果负载电流越大,那么MOS的工作区间就越靠近恒流区的上部分也就越靠近可变电阻区,为了远离MOS的可变电阻区使得MOS工作在饱和区,MOS的VDS应该往增加的趋势转移。
图2-25 LDO压差与输出电流关系曲线
原文来自原创书籍:《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》
此处不做过多讨论,LDO自身消耗的功率约等于输入与输出的电压差*负载电流(VDO*Io),效率等于输出功率除以输入功率。LDO的输入电流约等于输出负载电流,因此效率就等于输出电压除以输入电压,见公式(2-31)。相同负载电流下,压差VDO越大,LDO功耗越高,发热就越大,效率就越低,压差不要设置的太高,有利于提高效率,在手机或者其他便携式设备中尤其会关注LDO的效率,市场上的一些学习开发板只注重基本功能而忽略性能,有的开发板LDO就会发热,甚至是烫手,这就是不合理的电源架构设计。
PSRR(power supply rejection ratio)电源电压抑制比是LDO重要参数之一,是LDO对输入电源纹波的抑制能力,LDO巨大优点之一便是纹波小,即PSRR好。PSRR计算过程见公式(2-32),VINAC是输入电压的变化量,VOUTAC是输出电压的变化量,电源对噪声有抑制作用,注意:有的手册PSRR为负数而有的手册是正数,我们关注的是PSRR的绝对值,它的绝对值越大表示对输入纹波的抑制程度越高。图2-26 是Onsemi某LDO PSRR曲线(纵坐标取了绝对值方便阅读),该曲线有个转折点,左边是LDO自身环路起主导作用,右边为输出电容和PCB起主导作用,PSRR性能好的LDO左边的曲线会更高、纹波抑制能力更好,加大输出电容,右边的曲线会升高。
图2-26 LDO PSRR曲线
输入电压瞬态响应也叫线网调整率(Line Transient Response),指的是在特定负载电流条件下,当输入电压阶跃变化时,引起的输出电压的变化量。从定义可以看出,输入电压瞬态响应越小越好,因为这样才能在输入电压变化时,对输出的影响越小,LDO性能越好,图2-27 左图是某LDO的输入电压瞬态响应曲线,当第一行的输入电压突然增加时,会引起第二行中输出电压微小上冲,反之亦然,由于这个变化很小只有20mV,与LDO输出的几伏电压相比非常小,因此左图中第二行是交流测量,减掉了LDO输出的直流量,只看输出电压的变化量,因此第二行的电压是在0V基础上波动。
图2-27 输入电压瞬态响应与负载瞬态响应
负载瞬态响应(Load transient response )指的是,在特定的输入电压条件下,当负载电流突然变化时,引起的输出电压的变化。从定义可以看出,负载瞬态响应也是越小越好,当负载电流突然变化时,引起的输出变化越小,LDO性能就越好,从图2-27 右图中可以看到,当第二行的输出电流突然增加时(负载电阻突然减小),会引起第一行的输出电压下冲,反之亦然,输出电压波形也是看交流量。
一个设计优秀的LDO一定要具有良好的稳定性,以前接触过某LDO设计初期,内部设计不合理导致过LDO负载瞬态响应异常,有点类似图2-49 的波形,上面波形是输出电流,下面曲线是输出电压,当负载电流短时间内拉高时,输出剧烈抖动,并没有稳定在最开始的输出。