淺談電壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵參數(shù)

01輸入電壓范圍/絕對(duì)最大額定值

選擇電壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品時(shí)，必須確認(rèn)施加在電壓穩(wěn)壓器上的電壓在輸入電壓范圍內(nèi)（工作電壓范圍內(nèi)）且在絕對(duì)最大額定范圍內(nèi)。

在CMOS工藝中，由于耐壓和小型化（元件尺寸）是相反的關(guān)系，所以如果選擇輸入電壓范圍大、絕對(duì)最大額定值高的產(chǎn)品芯片，那么芯片尺寸往往會(huì)增大，而性能往往會(huì)降低。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，選擇最佳的輸入電壓范圍和絕對(duì)最大額定值的產(chǎn)品是很重要。

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍是指“IC可正常工作的輸入電壓范圍”。

從根本上說(shuō)，IC的設(shè)計(jì)就是為了在輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。因此，必須選擇實(shí)際輸入的電壓在輸入電壓范圍內(nèi)的產(chǎn)品。

反之，如果IC的工作電壓超出了輸入電壓范圍，則可能導(dǎo)致：

(a) 輸出規(guī)格外的特性

(b) 導(dǎo)致IC內(nèi)置功能出現(xiàn)故障

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

絕對(duì)最大額定值

絕對(duì)最大額定值為“即使瞬間超過(guò)該范圍，IC也有可能破壞的電壓、電流、溫度”。如果瞬間超過(guò)絕對(duì)最大額定值的話，也可能導(dǎo)致?lián)p壞或性能下降，所以設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要超過(guò)該范圍。

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

(*1) The maximum rating corresponds to the lowest value betweenVIN+0.3V or 6.5V.

VIN端子的絕對(duì)最大額定值記載為-0.3V~+6.5V，必須避免施加超出該范圍的電壓。

另外需要注意，如VOUT端子那樣較高一端的規(guī)格規(guī)定為“VIN+0.3V 或 6.5V”時(shí)，則兩者中較低的電壓將作為絕對(duì)最大額定值使用。

02輸出電壓（設(shè)定方法/電壓范圍/電壓精度）

輸出電壓設(shè)定方法

電壓穩(wěn)壓器的輸出電壓的設(shè)定方法大致分為兩種。

第一種類型是“輸出電壓固定型”在IC內(nèi)部設(shè)定輸出電壓的類型，這種電壓穩(wěn)壓器占大多數(shù)。

這種類型的主要優(yōu)點(diǎn)是只需選擇所需輸出電壓的型號(hào)即可，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無(wú)需外部元件，輸出電壓精度高。

第二種類型是“輸出電壓外調(diào)型”。一般可以用兩個(gè)外置電阻調(diào)整輸出電壓。因?yàn)榭梢杂靡粋€(gè)產(chǎn)品或型號(hào)制作多個(gè)輸出電壓，所以具有輸出電壓調(diào)整方便和元件集成等優(yōu)點(diǎn)。

輸出電壓固定型

輸出電壓外調(diào)型

輸出電壓范圍

輸出電壓范圍是電壓穩(wěn)壓器能夠輸出所需特性的輸出電壓范圍。

“輸出電壓固定型”中，可選擇的輸出電壓已確定，從中選擇輸出電壓。

“輸出電壓外調(diào)型”中，在輸出電壓范圍中規(guī)定的范圍內(nèi)設(shè)定輸出電壓。如果設(shè)定在輸出電壓范圍外，則無(wú)法獲得所需的特性和功能，并可能導(dǎo)致故障。

輸出電壓精度

輸出電壓的電壓精度。

一般的情況下規(guī)定特定的輸入電壓、輸出電流下的輸出電壓精度。

“輸出電壓外調(diào)型”中，輸出電壓的調(diào)整需要外部元件。因此，外部元件的電阻偏差會(huì)降低電壓穩(wěn)壓器整體的輸出電壓精度。

“輸出電壓固定型”中，反饋電阻包含在IC內(nèi)部，因此不會(huì)因外置電阻而導(dǎo)致精度降低。

03最大輸出電流

這是電壓穩(wěn)壓器輸出電流的最大值。

以最大輸出電流200mA的產(chǎn)品為例，介紹如何讀取和描述電氣特性。

規(guī)定為MIN. 200mA的意思是“即使考慮到制造偏差，最低也可以輸出200mA”。如果該值由TYP.規(guī)定，則表示“MIN.偏差程度不明確，因此采用了這樣的規(guī)定。

如果超過(guò)最大輸出電流時(shí)，電流限制功能將啟動(dòng)，輸出電壓下降。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

接下來(lái)是“輸出電壓和輸出電流”特性。

在圖表左上角，從標(biāo)有“設(shè)定輸出電壓”的0mA點(diǎn)開(kāi)始。

電流增加的話，在藍(lán)色的穩(wěn)定狀態(tài)這條線上向右側(cè)轉(zhuǎn)移，通過(guò)寫(xiě)有最大輸出電流的黑色虛線部分，此時(shí)這里的電流是200mA。

如果電流持續(xù)處于這種狀態(tài)，很多電壓穩(wěn)壓器都會(huì)啟動(dòng)電流限制功能。

在本次的例子中，使用的由藍(lán)和綠的線構(gòu)成的電流限制特性，因?yàn)榕c字母“f”相似，所以通常也被稱為“f”字符特性。 電流限制功能的特性例

04電流限制

電流限制功能是指當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，用于保護(hù)IC和后級(jí)設(shè)備的功能。

電流限制功能啟動(dòng)后，電壓穩(wěn)壓器的“輸出電壓-輸出電流”特性因產(chǎn)品而異。一般是折返電路（f字特性），除此之外還有下垂特性等類型、下垂型和折返型的復(fù)合型等。

以最大輸出電流200mA產(chǎn)品的折返特性的電流限制為例，說(shuō)明實(shí)際的電流限制操作。

05輸入輸出電壓差

維持設(shè)定輸出電壓所需的輸入和輸出之間的電壓差是輸入輸出電壓差。

輸入和輸出之間的電位差達(dá)到一定的值，維持設(shè)定輸出電壓的電壓差，可以看作是●●mA時(shí)所需的▲▲mV。

輸入和輸出的電壓差在輸入輸出電壓差以下時(shí)，輸出電壓下降。

一般來(lái)說(shuō)，輸入輸出電壓差與“驅(qū)動(dòng)器FET的導(dǎo)通電阻”和輸出電流成正比。因此，需要根據(jù)實(shí)際使用的輸出電流計(jì)算輸入輸出電壓差。

下面舉例說(shuō)明。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

在設(shè)定輸出電壓3.0V的產(chǎn)品中，輸出電流100mA維持3.0V的輸入輸出電壓差為240mV。即對(duì)于輸出電壓3.0V，輸入電壓需要在3.24V以上。

由于輸入輸出電壓差與輸出電壓呈線性關(guān)系，因此當(dāng)輸出電流只有50mA （即100mA 的一半）時(shí)，輸入輸出電壓差也是一半，為120mV。此時(shí)，維持3.0V所需的輸入電壓為3.12V以上。
也就是說(shuō)，輸入電壓低于3.12V時(shí)，如果輸出電流為50mA，則無(wú)法維持3.0V的輸出電壓，輸出電壓就會(huì)下降。

輸入輸出電壓差和導(dǎo)通電阻存在以下關(guān)系。

導(dǎo)通電阻Ron＝輸入輸出電壓差Vdif ÷ Iout（輸入輸出電壓差條件下的Iout值）

導(dǎo)通電阻越小的產(chǎn)品，輸入輸出電壓差越小。例如對(duì)于想要將輸出電壓維持到電池電量即將耗盡的應(yīng)用，輸入輸出電壓差小的產(chǎn)品是最合適的。

06負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率被稱為“負(fù)載調(diào)整”，是表示在輸出電流變化前后，輸出電壓變化程度的特性。

在電氣特性上，表示輸出電流從某mA變化到某mA時(shí)，輸出電壓會(huì)變化多少mV。
在一般的線性型電壓穩(wěn)壓器中，增大輸出電流時(shí)輸出電壓會(huì)降低。

在下面的例子中，可以看到從1mA變化到50mA時(shí)會(huì)降低50mV。 電壓穩(wěn)壓器(XC6216 VOUT=5.0V)

電壓穩(wěn)壓器（XC6216 VOUT=5.0V）：輸出電壓vs輸出電流特性

07 線性調(diào)整率

線性調(diào)整率被稱為“線路調(diào)整”，是表示“輸出電壓隨輸入電壓的線性變化而變化”的特性。

無(wú)論輸入電壓如何，輸出一定的輸出電壓是最理想的。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

上述的例子中，列舉了輸入電壓增加，輸出電壓也會(huì)增加這樣“單純?cè)黾印钡睦樱珜?shí)際上也會(huì)有不單純的增減情況。

08 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性是指使輸出電流瞬態(tài)（瞬間）變化時(shí)的輸出電壓波動(dòng)量。

理想的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性是輸出電壓變動(dòng)小，同時(shí)盡快恢復(fù)到設(shè)定電壓的特性。

下圖左側(cè)的虛線部分表示輸出電流從1mA增加到100mA，導(dǎo)致輸出電壓下降。

右側(cè)的虛線圓形部分，表示輸出電流從100mA下降到1mA，導(dǎo)致輸出電壓上升（過(guò)沖）。

電壓穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性主要取決于IC的消耗電流。

主要分為“消耗電流大的高速響應(yīng)型”和“低消耗電流但瞬態(tài)響應(yīng)慢”兩種類型。

下圖為輸出電流1mA到50mA的瞬態(tài)響應(yīng)比較。注意這兩個(gè)波形的縱軸：VOUT范圍不同。

高速型電壓變動(dòng)：10mV

消耗電流：100μA

低消耗型

電壓變動(dòng) : 500mV

消耗電流 : 0.6μA

左側(cè)高速型的輸出電壓下降幅度為10mV。相比之下，低消耗型的輸出電壓的下降幅度為500mV，比高速型大很多。另外，恢復(fù)到設(shè)定電壓的時(shí)間，高速型比低消耗型要短很多。

雖然變動(dòng)幅度不能單純地與消耗電流值成比例，但我們可以看到，瞬態(tài)響應(yīng)特性的差異往往會(huì)隨著電流消耗值的變化而出現(xiàn)。

為什么高速型和低消耗型的瞬態(tài)響應(yīng)特性會(huì)產(chǎn)生很大的差異，從電壓穩(wěn)壓器的工作原理來(lái)說(shuō)明。

高速型的消耗電流大，可以使誤差放大器的輸出高速變動(dòng)。由此，可高速控制驅(qū)動(dòng)器FET的柵極電壓，可快速改變驅(qū)動(dòng)器FET的導(dǎo)通電阻。此操作可獲得高速的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

相反，低消耗型的誤差放大器的輸出不能高速變動(dòng)。因此，驅(qū)動(dòng)器FET的柵極電壓控制變慢，這也使得驅(qū)動(dòng)器FET的導(dǎo)通電阻變化較慢。因此，即使由于瞬態(tài)變化導(dǎo)致輸出電壓降低，也不能進(jìn)行高速的響應(yīng)。

如果將瞬態(tài)響應(yīng)特性視為 "反應(yīng)速度"，那么要提高反應(yīng)速度，需要增加誤差放大器的消耗電流，“瞬態(tài)響應(yīng)和消耗電流是權(quán)衡的關(guān)系”。

09PSRR

PSRR是紋波抑制（PSRR：Power Supply Rejection Ratio）的簡(jiǎn)稱，是輸入電壓的變動(dòng)作為輸出電壓的變動(dòng)能夠有多小的指標(biāo)。

它通常用作表示電壓穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)經(jīng)常被使用。

在測(cè)量輸出電流條件不同的情況下，瞬態(tài)響應(yīng)特性很難比較不同產(chǎn)品的瞬態(tài)響應(yīng)能力。

但是，PSRR比瞬態(tài)響應(yīng)特性更容易調(diào)整測(cè)量條件。另外，PSRR良好的電壓穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性往往也較快，因此將PSRR作為高速響應(yīng)的指標(biāo)使用。

下面用具體的例子來(lái)說(shuō)明PSRR。

紋波抑制（PSRR）

當(dāng)帶有頻率成分的電壓ΔVIN輸入到輸入端時(shí)，輸出電壓變化ΔVOUT的比率。

PSRR(dB)＝20log(ΔVOUT/ΔVIN)

?20dB：衰減到1/10

40dB：衰減到1/100

80dB：衰減到1/1000

PSRR是在電壓穩(wěn)壓器的輸入側(cè)施加的正弦波，在輸出端能減小多少的特性。上圖顯示輸入側(cè)A點(diǎn)施加正弦波時(shí)，輸出側(cè)B點(diǎn)的輸出電壓有多穩(wěn)定。

例如在輸入側(cè)施加1kHz的500mVp-p的波形，將輸出端的變動(dòng)抑制為5mVp-p的情況下，衰減到1/100（5mVp-p/500mVp-p），因此PSRR為40dB@1kHz。

PSRR取決于頻率，規(guī)格說(shuō)明中一般使用1kHz時(shí)的值，但由于規(guī)定的頻率有時(shí)不同，所以需要注意頻率。

現(xiàn)在我們來(lái)看一下實(shí)際產(chǎn)品的PSRR。

高速型在1kHz時(shí)的PSRR為70dB（=1/3200），但低消耗型為20dB（=1/10），兩者的 PSRR 有很大的差別。一般來(lái)說(shuō)，高速型PSRR的低頻側(cè)PSRR往往較高。

輸入側(cè)的搖動(dòng)成分從低頻到高頻時(shí)IC無(wú)法響應(yīng)，PSRR逐漸下降。這種情況下，無(wú)法去除的搖動(dòng)成分會(huì)傳遞到輸出側(cè)。

如果更高頻的話，PSRR從下降趨勢(shì)變?yōu)樯仙厔?shì)。這表示IC無(wú)法對(duì)高頻做出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器FET的導(dǎo)通電阻為固定。

在該狀態(tài)下，由于驅(qū)動(dòng)器FET的固定導(dǎo)通電阻和輸出容量形成RC濾波器，因此PSRR呈上升趨勢(shì)。

審核編輯：湯梓紅