LDO的压差与功耗[1]

浅谈低压差线性稳压器(LDO)的压差（Dropout）和功耗（Power Dissipation） （圣邦微电子）任明岩 摘要：本文论述了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理和压差（Dropout）功耗（Power Dissipation） Abstract:This paper discusses Low Dropout Line Regulator（LDO）fundamental principle and Dropout，Power Dissipation 关键词：低压差线性稳压器, 压差，功耗 KeyWords：LDO, Dropout，Power Dissipation 便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、P MP、DSC 等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特 性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电 池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态， 通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用 户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。[1]带有使 能控制的低压差线性稳压器(LDO)是不错的选择。 低压差线性稳压器(LDO)的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元 件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络，保护电路等，基本工作原理是这样的：系统加电， 如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快 速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电 压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行 放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如 果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即： VOUT=（R1+R2）/R2 * Vref 产生压差的主要原因是，在调整元件中有一个P沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等 效为一个电阻，RDS(ON), VDROPOUT = VIN - VOUT = RDS(ON) x IOUTR. 由此得出低压差线性稳压器(LDO)的一个重要特性，在输入电压大于最小工作电压和输 出电压其标称值范围内，负载电流为零时，输出电压随输入电压的变化而变化，这就是LDO 的跟随特性，待输出电压达到其标称值后不随输入而变化，从而达到稳压的目的，这就是LDO 的稳压特性。如图为圣邦微电子的SGM2007输入电压和输出电压的曲线。 Output Voltage vs.Input Voltage 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 Input Voltage(V) Ou tp ut V ol ta ge (V ) No Load VOUT = 2.8V VOUT = 3.3V 在测试压差（Dropout）时不同的厂家有不同的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。德州仪器（TI）电压差定义为输 出电压较其标称值跌落2％时的输入、输出电压的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微 电子(SGMC)电压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入、输出电压的差值. 如图 为圣邦微电子的SGM2007负载为300mA时输入电压和输出电压的曲线。 POWER ON 0 1 2 3 4 5 6 Time(200mS/Div) 1V /D iv Iload=300mA Onput Voltage Input Voltage 如图在箭头范围内，输入和输出和箭头组成的图形在一定范围内近试为平行四边形，在 平行四边的边上任取一点，做与另一边平行的线段，由平行四边形的定义可知和另一边相等。 所以这两种测试方法只是取值点不同而已，对同一芯片而言，两种方法测得值几乎相同。在 TMT 生产测试中，也有两种测试方法，一种是循环法，输入在某一个确定值时,以步长为 1m V 下降，至道输出电压较其标称值跌落 2％，或输出电压较其标称值小于 100mV 时停止，这 种方法循环的步长越多，测试的时间就越长，对芯片的成本就越高，令一种方法是，输入固 定电压法，输入和输出和箭头组成的图形近试平行四边形，只要我的取值点在平行四边形内， 测得的值就是相同的，所以通常是根据具体的 LDO 的 Dropout 的大小，输入加上某一个值， 使输出电压约等于较其标称值跌落 2％或较其标称值小于 100mV。例如 Dropout 在 150mA 时 为 100mV,那么输入可以等于输出，这样测的输出比标称值小于 100mV，等于这样测一次就可 以了，节约了大量的时间，降低生产成本。 单体锂离子电池充足电时的电压为 4.2V，放完电后的电压为 2.3V，而有些标定电压为 3.3V 工作的微处理器 DSP 的最低工作电压可以达到 2.9V。这样 LDO 输出值在小于标称值 的一定范围内还是可以工作的。由上图可见，LDO 的压差越小，输入和输出和箭头组成的图 形近试平行四边形越长，LDO 的工作时间就越长效率就越高，电池的待机时间也就会越长。 低压差线性稳压器由于存在压差，它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近 似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个驱动图像处理器的 LDO 输入电源是从单 节锂电池标称的 3.6V，在电流为 200mA 时输出 1.8V 电压，那么转换效率仅为 50%，因此在 手机中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言， 确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从 1.5V 降至 1. 2V，效率就变成了 80%。 低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函数。下列方程式可 用来计算最恶劣情况下的功耗： PD=（VINMAX- VOUTMIN ）ILMAX。其中:PD = 最恶劣情况下的实际功耗，VINMAX = VIN 脚 上的最大电压，VOUTMIN = 稳压器输出的最小电压，ILMAX = 最大( 负载) 输出电流。 最大允许功耗(PDMAX) 是最大环境温度(TAMAX), 最大允许结温(TJMAX) (+125°C) 和 结点到空气间热阻（θJA) 的函数。对于安装在典型双层FR4 电解铜镀层PCB板上的5引脚 SOT-23A封装器件，其（θJA)约为250°C/Watt。 PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ θJA VINMAX = 3.0V +10%，VOUTMIN = 2.7V - 2.5%，ILOADMAX = 40mA，TJMAX = +125°C，TAMAX = +55°C 实际功耗PD=26.7mW，最大允许功耗: PDMAX= 280mW. 在低压差线性稳压器（LDO）的使用过程中一定要注意合理分配LDO实际功耗，不要超过 他的最大功耗。以影响系统的稳定性。 参考文献 1． 颜重光 便携产品电源芯片的应用技术 2． Microchip Tc2014 datasheet