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LDO 设计的一些鲜为人知的方面

2023-09-30 23:43

低压差线性稳压器 (LDO)在电路设计中无处不在。许多航站楼只有三个航站楼； VIN、VOUT 和 GND。可能会出什么问题？某些 LDO 设计标准已有详细记录，例如需要观察正确的输出电容和等效系列电阻 (ESR)。现代 LDO 使这变得更加容易，因为它们支持各种输出电容器，包括低 ESR 陶瓷类型。 LDO 性能指标（例如功率抑制 (PSRR)）也令人感兴趣，因为该指标定义了 LDO 在其输入端抑制纹波和噪声的效率。

本文介绍了 LDO 设计的一些鲜为人知的方面。

重复负载瞬态行为

即使 VIN-VOUT 差分较低，TPS7A84A 低噪声 LDO 也能正常运行。 LDO 数据表通常显示负载瞬态行为的波形。图 1 显示了 TPS7A84A 的示例。阅读数据表时，重要的是要注意获得数据的测试条件。图 1 记录了输出电容、VIN-VOUT 差分、偏置电压、原始负载电流、负载电流瞬态和负载瞬态压摆率。显示了两条曲线，唯一的区别是原始基本负载加上了负载瞬态。当施加负载瞬变时，输出电压会下降并恢复，因为从输出电容器汲取电流，并且在 LDO 的控制环路做出反应以打开传输 FET 并返回 VOUT 后，在短时间内供应增加的负载电流变得更加困难是名义上的。

图 1：TPS7A84A 数据表负载瞬态性能

红色曲线表示3A-0.5A=2.5A的负载瞬态，黑色曲线表示3A-0.1A=2.9A的负载瞬态。正如预期的那样，较大的负载瞬态黑色曲线显示出比红色更深的下降，但两者的性能都非常好，VOUT 下降仅为 20-30mV。有趣的是，移除负载阶跃时的超调扰动比施加负载阶跃时的扰动更大且持续时间更长。过冲的幅度随着原始负载电流的减小而增大。通常，当负载被移除时，LDO 会短暂地继续提供其负载电流，对输出电容器充电并导致过冲。不久之后，LDO 中的控制环路会做出反应，逐渐关闭其传输 FET，从而使输出降至其标称电压。绝大多数 LDO 无法主动吸收负载电流，只能提供负载电流，因此唯一将输出电容器放电至其标称 VOUT 的就是原始负载。在图 1 中，500mA 的原始负载（红色曲线）将使输出电容器更快地放电，并且 VOUT 恢复到其标称电压的速度比 100mA（黑色曲线）更快。

原始负载越低，负载瞬变消除后 LDO 将其 VOUT 返回到标称值所需的时间就越长。现在，如果负载瞬态是重复的，就像某些 RF 类型负载的情况一样，那么图 2 中的结果显示 0.56A 的负载以 2kHz 的速率添加/删除到设置1.4V 输出 LDO。移除负载与重新施加负载之间的实际时间为 0.4 毫秒。在图 2 中，第一个负载瞬变应用和去除产生较低的下冲和过冲（VOUT 下降约 8.5mV），但第二个、第三个和后续负载瞬变的行为会导致性能变差。压降已恶化至约 112mV，即 VOUT 的 8%。

图 2：蓝色迹线 – LDO 的 VOUT，AC 耦合 40mV/div，0.2ms/div。红色迹线 – 负载阶跃（低时添加负载，高时移除负载）。 LDO VIN=VBIAS=1.8V。 LDO VOUT=1.4V。 LDO 输出电容为 47μF + 2x 10μF。 LDO 输入电容为 47μF + 2x 10μF

为什么会这样？原因是，在施加和去除第一和第二负载瞬变之间，VOUT 尚未返回到其标称电压，因为输出电容器放电的原始负载电流现在约为 0mA。 VOUT 慢慢恢复到其标称电压。因此，LDO 中的控制环路仍然命令传输 FET 完全关闭。当第二个负载瞬变发生时，控制环路检测到 VOUT 正在下降，并且必须以相反的方式做出反应，以完全打开其传输 FET，以增加通过它的电流，以抵消其输出电容器的充电并支持增加负载。这需要时间，因此 VOUT 下降幅度比第一次负载瞬态期间下降得更多。

为了纠正这个问题，必须添加一些虚拟负载，以便在负载瞬变之间对输出电容器进行放电。图 3 显示了添加 140mA (10Ω) 假负载的结果。重复负载瞬变现在也会干扰 VOUT，下降约 8.5mV。所需的最小虚拟负载应通过实验找到，因为不同的应用具有不同的原始负载、输出电容和负载瞬态之间的时间延迟。 LDO 在添加/删除重复负载瞬变时的行为方式会对为其供电的上游转换器产生连锁效应。在此应用中，DC/DC转换器 TPS562219A 设置为 1.8V o/p，以为 LDO 提供 VIN。由于 LDO 输出上没有假负载，当 LDO 的 VOUT 经历大幅下降（图 2 - 添加第二个、第三个和后续负载瞬变）时，它会完全升压其传输 FET，以返回到标准的 VOUT。这将从 1.8V dc/dc 输出汲取大电流并对其造成干扰。 1.8V 下降约 120mV。向 LDO 输出添加虚拟负载意味着 LDO 不会消耗与提供额外负载瞬态一样多的电流，这又意味着 1.8V 压降也小得多，约为 43mV。

图 3：与图 2 相同的条件，只是在 VOUT 上添加 10Ω 假负载

LDO 的噪声可能比 DC/DC 转换器的噪声更大！？

通常，LDO 用于需要安静电源轨的情况。 LDO 是否比 DC/DC 转换器噪声更大？有可能的用例。 LDO 的输出噪声是在 LDO 内部生成的，主要由其参考电压噪声组成。LDO 的 VIN 处出现的噪声和纹波电压受到其 PSRR 的抑制，并在 VOUT 处衰减。正如我们所见，负载瞬变也会干扰 LDO 的输出电压，其控制环路旨在减弱这种干扰。这三种噪声和纹波源也存在于 DC/DC 转换器中，并且与 LDO 不同，开关噪声和纹波也存在于其输出中。当需要安静的电源轨时，LDO 的输出没有开关噪声和纹波，因此通常成为最佳选择。

对于 LDO，其输出上的负载电流与其输入上的负载电流相同。 LDO 输出上的 1A 负载瞬态干扰将反映为其输入上的 1A 负载瞬态，因此也会反映在为 LDO 供电的上游转换器上。输入端的 1A 负载瞬变会扰乱为 LDO 供电的上游转换器，它还必须对这种电流变化做出响应。这会在施加负载时导致电压骤降，在移除负载时导致电压过冲。上游转换器输出上的噪声源很容易成为其输出中最大的噪声分量，即使它是 DC/DC 转换器。如果 DC/DC 转换器输出还为其他更敏感的负载供电，那么它们将受到纹波电压的影响，并且运行时的性能可能会降低。如果用 DC/DC 转换器代替 LDO，则 DC/DC 转换器的输入电流为其输出电流乘以占空比，D=VOUT/VIN，忽略损耗并取一个开关周期的平均值。因此，为该 DC/DC 转换器供电的上游 DC/DC 转换器在其输出上经历较低的负载瞬态，并且上游 DC/DC 转换器对其 VOUT 的干扰较小。因此，LDO 可能比 DC/DC 转换器的噪声更大，但不是在其输出端，而是在为其供电的上游转换器的输出端。因此，为该 DC/DC 转换器供电的上游 DC/DC 转换器在其输出上经历较低的负载瞬态，并且上游 DC/DC 转换器对其 VOUT 的干扰较小。因此，LDO 可能比 DC/DC 转换器的噪声更大，但不是在其输出端，而是在为其供电的上游转换器的输出端。因此，为该 DC/DC 转换器供电的上游 DC/DC 转换器在其输出上经历较低的负载瞬态，并且上游 DC/DC 转换器对其 VOUT 的干扰较小。因此，LDO 可能比 DC/DC 转换器的噪声更大，但不是在其输出端，而是在为其供电的上游转换器的输出端。

LDO 对低噪声模拟前端 (AFE)

的热影响

LDO 通常用于为 AFE 提供安静的电源轨。 LDO 中的功耗仅由 Iout(VIN-VOUT) 给出，并且负载电流远大于 LDO 的静态电流。如果负载电流 (Iout) 很大和/或 VIN-VOUT 差异很大，则功耗可能很大。由于 IC 封装趋于变得更小，LDO 中的温升可能会显着，导致印刷电路板 (PCB) 上出现热点。热量通过 LDO 封装散热焊盘所连接的接地层从 LDO 扩散到 PCB。 AFE 的一个关键性能指标是其信噪比（S/N 比）。噪声电压的一个组成部分是约翰逊/奈奎斯特噪声，由 V(rms) = sqrt(4kTBR) 给出，其中 T 是开尔文绝对温度，B 是带宽，R 是电阻，k 是玻尔兹曼常数。将热 LDO 靠近 AFE 放置还会增加 AFE 的温度、增加噪声、降低 S/N，并对系统的整体性能产生重大影响。虽然 LDO 最好放置在靠近 AFE 的位置，但应避免放置得太近。对于拥挤的 PCB，还可以考虑去除一些铜接地层，以防止热量传递到 AFE，但只能适度去除，以免干扰从 AFE 到 LDO 的接地返回电流路径。