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低压差线性稳压器LDO的稳压特性及过程概述-【低压差线性稳压器】
发布时间:2024-02-14 08:31:31 来源:江南官方体育APP下载 作者:江南app官方网站

  justable)两种。固定输出电压LDO使用比较方便,经过厂家精密调整后的输出电压精度很高,但是其设定的输出电压数值均为常用电压值(如1.2V、 2.5V、3.3V、5V等),不可能满足所有的应用场合要求,这时可以使用可调输出电压类型的LDO,只需要调整外接元件数值即可在一定范围内进行输出电压的调整。

  下面我们详细讲解LDO的稳压特性,这是普通电阻分压所不能提供的。LDO的基本原理与通用串联型稳压电路是一致的,其基本结构如下图所示:

  其中,三极管Q1为电压调整管,电阻R3、R4及可调电阻RP1用来对输出电压VO进行电压采样,D1为稳压二极管,与电阻R2配合为三极管Q2的发射极提供稳定的参考电****位VREF(Reference Voltage),三极管Q2用来对参考电压与采集到的输出电压进行比较,R2为Q1与Q2提供静态偏置电压。

  如果对该电路施加输入电压Vi(暂时还没有接负载)时,输入电压Vi经电阻R1、三极管Q1的发射结VBE1、R2、D1(或R3、R4、RP1)为三极管Q1提供基极电流,由于三极管Q1的集电极电位最高,基极电位次之、发射极电位最低,三极管处于放大状态,如下图所示:

  可以看到,这个电路就是一个共集电极放大电路,其中的电阻RX表示R2、R3、R4、RP1、D1等效的总电阻,此时三极管Q1处于放大状态,输出VO也有一定的电压,但电路还没有稳压能力。

  三极管发射极电位VE2是VO通过R2、D1稳压电路获取的恒定参考电压VZ,通常这个参考电压稍大于1V,而三极管的集电极电位VC2由Vi通过R2提供,很明显,三极管Q2的三个极电位VCVBVE,集电结反偏,发射极正偏,三极管Q2处于放大状态。

  三极管Q2将基极电流IB2放大后,产生集电极电流IC2并将其集电极电位VC2拉下来,继而使三极管Q1的基极-发射极电压VBE1下降,引起IB1与IC1相继下降,集电极-发射极电压VCE1升高,输出电压VO会比三极管Q2没有接入时会下降一些,三极管Q2接入后电路形成负反馈并达到稳态。

  此时电路中虽然还没有接负载,但放大电路回路已经形成,因此必然会有一定的电流,称为静态电流(Quiescent Current),也有些规格书称之为接地电流(GroundPin Current),这个电流要求越小越好。

  有些LDO芯片(特别是低电压输出的)必须外接负载才有正确的电压输出,它需要一定的负载电流才能维持内部正常的调整行为,这个电流的最小值称为最小负载电流(Minimum Load Current)

  由于负载肯定会有一定的电阻值(通常比等效电阻RX小多了),当负载如上图所示接到电路中时,相当于等效电阻RX与RL并联,相当于Q1集电极对地的电阻下降了,由于此时回路电流I还没有变化,根据欧姆定律V=R×I,则输出VO势必会下降。

  电阻R3、R4、RP1是对输出电压VO进行分压采集,因此三极管Q2的基极电位VB2电位相应也会下降,而Q2的发射极因为D1、R2提供稳定的参考电位VZ,则有VBE2=VB2-VZ下降,继而导致Q2的基极电流IB2与集电极电流IC2相继下降。

  三极管Q2的集电极电流IC2下降将导致Q2集电极电位VC2上升,则有Q1的发射结电压VBE1=VB1-VE1=VC2-VE1=VC2-VO上升(记住前提条件,输出电压VO是下降的),其基极电流IB1与集电极电流Ic1亦相继上升,从而导致VCE1下降。

  可以看到,电路刚刚接入负载的一瞬间,输出电压是下降的,但是经过一系列比较反馈调整后,输出电压又上升了,亦即输出电压回升到没有接入负载时的电压,也就是说,不管有没有接入负载,输出电压都可以稳定到同一个数值。

  当负载重了(即RL阻值变小),输出电压VO下降了,为了维持与之前相同的输出电压,就把可调电阻值RQ1下降一些,这样按电阻分压原理,输出电压VO就上升了(只是电流增大了),上升量抵消了下降量,输出电压VO保持不变

  三极管Q1的集电极-发射极电压VCE1就是LDO的压降VD(Dropout Voltage),这个电压会在三极管上产生热量,流过三极管Q1(即负载电流)的电流越大,则由P=V×I公式可知(电流I越大),在三极管消耗的功率越大,从而导致三极管发热,因此一般Q1采用的都是功率管。

  这个压差VD自然是越小越好,对于给定的LDO都有一个VD值,在实际使用时,输入电压Vi与输出电压Vo的差值一定要大于这个VD值,否则LDO将无法正常维持内部调节行为而无法实现稳压功能。

  同样,如果外加的输入电压Vi太大,则由P=V×I公式可知(电压V越大),也会导致三极管消耗功率增大,从而引起三极管发热,这也会极大的影响LDO的电源转换效率,如下图所示:

  LDO的输入输出电流接近一致的,因此计算LDO的效率只需知道输出电压Vo与输入电压Vi的比值即可,对于同样的输出电压3.3V,当输入电压为5V时,LDO的效率约为66%,而当输入电压为9V时,LDO的效率就降到约36%了,大部分的输入能源都被消耗到了LDO本体上,这是低功耗应用所不允许的。

  当然,负载电流不能一直升高到无限大(即负载电阻不可能无限小,否则电路将带不动,这跟小马拉大车的道理是一样的),当负载电流高到一定值时,三极管Q1由于电流太大而发热,最终导致三极管损坏,此时的电流称为最大负载电流ILIMIT(Current Limit)

  我们说稳压电路可以对负载引起的输出电压变化进行稳压,那么用什么参数来衡量呢?通常我们用负载调整率ΔLoad(Load Regulation)参数来衡量这个性能,如下图所示:

  上图中输入电压Vi对应输出VO,假设负载RL的变化引起输出电压变化了ΔVO,我们把负载RL变化引起的输出电压变化率叫做负载调整率,用ΔLoad表示,如下式:

  举个例子,芯片A与芯片B用上图所示电路进行测试,初始条件都是Vi=5V、VO=3.3V,将负载值RL进行相同大小的调整后,测得芯片A输出为3.4V,而芯片B输出为3.5V,

  在理想状态下,我们希望无论负载是怎么变化的,输出都是恒定的,即ΔV为0,因此这个值是越小越好,因此芯片A的负载调整率要更好一些。严格地说,负载调整率=(满负载输出电压-半负载输出电压)/额定负载输出电压,这里只是为了说明负载调整率的意义。

  电阻R3、R4、RP1是对输出电压VO进行分压采集,因此三极管Q2的基极电位VB2相应也会上升,而Q2的发射极因为D1、R2提供稳定的参考电位VZ,则有VBE2=VB2-VZ上升,继而导致Q2的基极电流IB2与IC2相继上升。

  三极管Q2的集电极IC2上升将导致Q2集电极电位VC2下降,则有Q1的发射结电压VBE1=VB1-VE1=VC2-VE1=VC2-VO下降(记住前提条件,输出电压VO是上升的),Q1基极电极电流IB1与集电极电流IC1相继下降,继而VCE1上升将Vi的上升量抵消,从而将输出VO稳定在之前的输出电压值。

  上图中输入电压Vi对应输出VO,假设输入电压Vi的变化引起输出变化了ΔVO,我们把输入电压变化引起的输出电压变化率叫做电压调整率(line regulation,也有叫线性调整率),用ΔLine表示,如下式:

  同样,我们将芯片A与芯片B用上图所示电路进行测试,初始条件都是Vi=5V、VO=3.3V,将输入电压值进行相同大小的调整后,测得芯片A输出为3.4V,而芯片B输出为3.5。

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