使用LDO進(jìn)行設(shè)計(jì)的一些鮮為人知的方面

低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 在電路設(shè)計(jì)中無處不在。許多只有三個(gè)終端；VIN、VOUT 和 GND。什么可能出錯(cuò)？某些 LDO 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已得到充分證明，例如需要觀察正確的輸出電容和等效串聯(lián)電阻 (ESR)?，F(xiàn)代 LDO 使這變得更加容易，因?yàn)樗鼈冎С指鞣N輸出電容器，包括低 ESR 陶瓷類型。電源抑制 (PSRR) 等 LDO 性能指標(biāo)也受到關(guān)注，因?yàn)樵撝笜?biāo)定義了 LDO 抑制其輸入紋波和噪聲的效率。

本文介紹了使用 LDO 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一些鮮為人知的方面。

重復(fù)負(fù)載瞬態(tài)行為

即使使用低 VIN-VOUT 差分，TPS7A84A 低噪聲 LDO 也能正常工作。LDO 數(shù)據(jù)表通常會(huì)顯示負(fù)載瞬態(tài)行為的波形。圖 1 顯示了 TPS7A84A 的示例。閱讀數(shù)據(jù)表時(shí)，重要的是要注意獲取數(shù)據(jù)的測(cè)試條件。圖 1 記錄了輸出電容、VIN-VOUT 差分、偏置電壓、原始負(fù)載電流、負(fù)載電流瞬態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)壓擺率。顯示了兩條曲線，唯一的區(qū)別是添加了負(fù)載瞬態(tài)的原始基本負(fù)載。當(dāng)施加負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，輸出電壓會(huì)下降并恢復(fù)，因?yàn)殡娏鲝妮敵鲭娙萜髦屑橙?，并且?LDO 的控制環(huán)路做出反應(yīng)以打開通路 FET 后的短時(shí)間內(nèi)更難提供增加的負(fù)載電流并返回 VOUT為名義上的。

圖 1：TPS7A84A 數(shù)據(jù)表負(fù)載瞬態(tài)性能

紅色曲線適用于 3A-0.5A=2.5A 的負(fù)載瞬態(tài)，黑色曲線適用于 3A-0.1A=2.9A 的負(fù)載瞬態(tài)。正如預(yù)期的那樣，較大的負(fù)載瞬態(tài)黑色曲線顯示出比紅色更深的下降，但兩者的性能都非常好，VOUT 下降只有 20-30mV。有趣的是，移除負(fù)載階躍時(shí)的過沖擾動(dòng)大于且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于施加負(fù)載階躍時(shí)的擾動(dòng)。過沖幅度隨著原始負(fù)載電流的減小而增加。通常，當(dāng)移除負(fù)載時(shí)，LDO 會(huì)短暫地繼續(xù)提供其負(fù)載電流，為輸出電容器充電并導(dǎo)致過沖。不久之后，LDO 中的控制回路做出反應(yīng)，逐漸關(guān)閉其通路 FET，以使輸出降至其標(biāo)稱電壓。絕大多數(shù) LDO 不能主動(dòng)吸收負(fù)載電流，只能提供負(fù)載電流，因此唯一將輸出電容器放電至其標(biāo)稱 VOUT 的就是原始負(fù)載。在圖 1 中，500mA 原始負(fù)載（紅色曲線）將比 100mA（黑色曲線）更快地對(duì)輸出電容器放電，并且 VOUT 更快地恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓。

原始負(fù)載越低，負(fù)載瞬態(tài)消除后 LDO 將其 VOUT 恢復(fù)到標(biāo)稱值所需的時(shí)間就越長(zhǎng)?，F(xiàn)在，如果負(fù)載瞬態(tài)是重復(fù)的，例如某些 RF 類型負(fù)載的情況，那么圖 2 的結(jié)果顯示了 0.56A 的負(fù)載以 2kHz 的速率添加/移除到設(shè)置為 1.4V o/p 的 LDO . 負(fù)載被移除然后重新應(yīng)用之間的實(shí)際時(shí)間是 0.4 毫秒。在圖 2 中，第一個(gè)負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用和移除會(huì)產(chǎn)生較低的下沖和過沖（VOUT 的下降約為 8.5mV），但第二個(gè)、第三個(gè)和隨后的負(fù)載瞬態(tài)表現(xiàn)出更差的性能。下降已惡化至 ~112mV，即 VOUT 的 8%。

圖 2：藍(lán)色跡線 – LDO 的 VOUT，交流耦合 40mV/div，0.2ms/div。紅色跡線 – 負(fù)載階躍（低時(shí)增加負(fù)載，高時(shí)去除負(fù)載）。LDO VIN=VBIAS=1.8V。LDO VOUT=1.4V。LDO 輸出電容為 47μF + 2x 10μF。LDO 輸入電容為 47μF + 2x 10μF

為什么是這樣？原因是在第一次和第二次負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用和移除之間，VOUT 尚未恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓，因?yàn)閷?duì)輸出電容器放電的原始負(fù)載電流現(xiàn)在約為 0mA。VOUT 緩慢返回其標(biāo)稱電壓。因此，LDO 中的控制環(huán)路仍在命令 pass-FET 完全關(guān)閉。當(dāng)?shù)诙€(gè)負(fù)載瞬變發(fā)生時(shí)，控制環(huán)路檢測(cè)到 VOUT 正在下降，并且必須以相反的方式做出反應(yīng)，以完全打開其通路 FET，以增加通過它的電流以對(duì)其輸出電容器進(jìn)行再充電并支持增加的負(fù)載。這需要時(shí)間，因此與第一個(gè)負(fù)載瞬態(tài)相比，VOUT 下降得更多。

為了糾正這個(gè)問題，必須添加一些假負(fù)載以在負(fù)載瞬態(tài)之間對(duì)輸出電容器進(jìn)行放電。圖 3 顯示了添加 140mA (10Ω) 假負(fù)載的結(jié)果。重復(fù)性負(fù)載瞬變現(xiàn)在同樣干擾 VOUT，大約下降 8.5mV。應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)找到所需的最小虛擬負(fù)載，因?yàn)椴煌膽?yīng)用具有不同的原始負(fù)載、輸出電容和負(fù)載瞬變之間的時(shí)間延遲。添加/移除重復(fù)負(fù)載瞬變時(shí) LDO 的行為方式具有連鎖反應(yīng)影響提供它的上游轉(zhuǎn)換器。在此應(yīng)用中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPS562219A 設(shè)置為 1.8V o/p 為 LDO 提供 VIN。在 LDO 輸出上沒有虛擬負(fù)載的情況下，當(dāng) LDO 的 VOUT 出現(xiàn)較大下降時(shí)（圖 2 - 添加第二個(gè)，第三次和隨后的負(fù)載瞬變）它完全增強(qiáng)了其傳輸 FET 以恢復(fù)到標(biāo)稱 VOUT。這會(huì)從 1.8V dc/dc 輸出中汲取大電流并對(duì)其造成干擾。1.8V 下降了 ~120mV。向 LDO 輸出添加一個(gè)虛擬負(fù)載意味著 LDO 不會(huì)吸收如此大的電流，因?yàn)樗鼤?huì)提供額外的負(fù)載瞬態(tài)，這反過來意味著 1.8V 的下降也小得多，約為 43mV。

圖 3：與圖 2 相同的條件，只是在 VOUT 上添加了 10Ω 假負(fù)載

LDO 可能比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜?。?/strong>