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为什么你总用不好LDO?8成工程师都是因为这些问

时间:2023-11-06 19:06来源:硬件攻城狮 作者:ictest8_edit 点击:

关于LDO以下至少有一个问题是你想知道的!                      
1.为什么总是输出不了设定的5V?采用固定输出5V的LDO,输入给5.5V,输出为什么小于5V?注意dropout这个参数,这是LDO能做到的最小压降。当输入无限接近输出电压,此时LDO内部MOS 处于饱和区,变成直通的状态,MOS管的导通电阻几乎到达最小值,如果对应负载的dropout是大于0.5V的(注意dropout会随着输出电流的增加而增大),输出就会小于5V啦!    
2.为什么总是这么烫?LDO主要的功耗来自于内部的MOS管上的压差与输出电流的乘积。压差越大,电流越大,功耗越大,因此芯片就会越烫。
3.为什么到不了800mA?接上个问题继续讨论,为什么LDO规格是800mA 在实际应用的时候却到不了800mA?这是因为这个规格的定义是指LDO正常工作下能够输出的最大电流。然而不同应用场景对于LDO的最大工作温度要求是不一样的,因此对于LDO的功耗限制就不同。举个例子LM1117( TO-263 ,注意不同封装的热阻参数不同):对于VIN=12V,VOUT=5V,最大工作温度85℃,LM1117最大能输出多大电流呢?Tc(max) =TJ - PD* JθC  ,  PD=(VIN-VOUT)*IOUT ,  这里粗略估计PD(实际还包括VIN×Iground)根据 JθC=44.1℃/W(参考LM1117规格书),对于Tc(max)=85℃,可得到IOUT最大为0.21A,保留一定裕量后建议输出负载不超过150mA,通常我们实际测试在85℃的温箱环境中,用热电偶测量壳温以JθC参数来验证是否可行。注:

o Tj(Junction Temperature):芯片的硅核温度
o Ta (Ambient Air Temperature):芯片周围的空气温度
o Tc(Package Case Temperature):芯片封装表面温度
o Tb(Ambient board Temperature):安装芯片的PCB表面温度
o 热阻JθA:芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻。
o 热阻JθC:芯片的热源结到封装外壳间的热阻,这个是最常用和有用的热阻。
o 热阻JθB:芯片的结与PCB板间的热阻。
4.噪声哪里来的?
LDO内部的MOS是不会开关的,因此LDO没有开关噪声。LDO内部主要由MOS和EA误差放大器构成,我们知道运放是存在噪声的,因此LDO的噪声源之一是来自于内部的EA。另外LDO内部的基准、电阻等也会有噪声。   
     
一般低噪声的LDO都具有名为“NR/SS”的特殊引脚此引脚具有双重功能:可用于过滤内部电压基准产生的噪声并 能降低 LDO 启动或使能期间的转换率。在此引脚上添加电容器 (CNR/SS) 将形成具有内部电阻的阻容 (RC) 滤波器,帮助分流由电压基准生成的不需要的噪声。

另外在使用前馈电容器可调 LDO 时添加前馈电容也能够改善噪声性能、稳定 性、负载响应和电源抑制比 (PSRR)。
5.输出电容怎么选?
总会有个错觉,输出电容越大越好,越大越稳定。然而无论对于什么器件而言,这都是错误的想法!
对于没有软起动的LDO。如果输出电容过大,启动瞬间会有大电流为了稳压给输出电容充电,启动电流大。
从稳定性来说,老的LDO在设计的时候我们会在手册中看到有注明配置电容ESR的稳定性(stable)范围的描述,需要按照手册执行电路设计,保障LDO输出的稳定性。这是因为电容的ESR 决定EA负反馈的零点,ESR过大过小都容易导致LDO切换负载时发生震荡。但是现在的LDO内部环路设计越来越好,因此现在的LDO手册里很少有看到对输出电容ESR有要求的相关描述了。
另外,LDO把输入电荷搬运到输出电荷,Q=I*T ,Q=C*U,保证输入输出的C*U是对称的,输出电容满足Cout>Cin*Uin/Uout是比较好的设计。
6.启动电流为什么这么大?
因为启动瞬间,输入5V要快速建立输出电压3.3.V,环路控制内部MOS导通,启动到输出稳压的过程中LDO内部MOS从饱和区进入非线性电阻区,因此启动电流定性粗略估计是Vin/Rds。(Rds为内部MOS导通压降)。
7.为什么输出有过冲?
输出的调节与LDO内部EA有关,内部EA的响应能力与自身的Aol相关。我们可以看到一般对于LDO来说,Iq小的LDO,内部EA的Aol偏小,因此其响应能力不强(除非针对性设计)。而有的LDO为了在某些特定应用下防止输出过冲,会在EA的反馈端加RC做软启动。
8.输入小于输出到底行不行?行!这个时候LDO内部MOS直通,输出会比输入小一个Vdrop的压降。器件的应用灵活多变,只要满足系统设计没什么不行的,只是这种用法比较少见。
9.LDO能不能限流?LDO 中的电流限制定义为,建立所施加电流的上限。与恒流源不同,LDO 按需输出电流,同时还会控制调节的总功率。电流限制通过用于控制 LDO 内输出级晶体管的内部电路实现.

上图是一种典型的LDO 内部限流结构,由于达到限值后该电路 会突然停止输出电流,通常被称为“砖墙”电流限制。此内部电路中,LDO 测量反馈的输出电压,同时测量输出电流相对于内部基准 (IREF) 的缩放镜像。在砖墙电流限制中,已定义电流上限,LDO 会逐渐增大供应电 流,直至达到电流限制。一旦超过电流限制,输出电压不再进,行调节,并由负载电路的电阻 (RLOAD) 和输出电流限制 (ILIMIT) 确定:VOUT = I LIMIT ×RLOAD。
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