中心議題：
- LDO的基本原理
- LDO的選用原則
- LDO在開關電源設計上的應用
本文介紹了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本原理及選用原則，并將其應用于開關電源設計之中。這種設計方案簡化了開關電源的多路輸出設計，減小了負載調整率，有效地抑制了電磁干擾(EMI)，并加強了開關電源的過流保護功能。
電源是各種電子設備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開關電源兩大類，由于開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開關電源效率可達80%~90%，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產品。本文介紹一種應用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)優(yōu)化開關電源的設計方案，并對該方案的可行性通過實驗加以驗證。
LDO的基本原理
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本電路如圖1所示，該電路由串聯調整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。
圖1：低壓差線性穩(wěn)壓器基本電路
取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經放大器A放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續(xù)進行，調整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。
應當說明的是，實際的線性穩(wěn)壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等，而且串聯調整管也可以采用MOSFET。
LDO的選用原則
1. 輸入輸出電壓差
輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數。在保證輸出電壓穩(wěn)定的前提下，該電壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。
2. 最大輸出電流
用電設備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應根據各部分所需要的電流值選擇適當的穩(wěn)壓器。
3. 負載調整率
負載調整率是眾多電源設備一個非常重要的參數，它反映了電源抑制負載干擾的能力，負載調整率越低，輸出負載對輸出電壓的影響越小，LDO的品質就越好。
4. 接地電流
接地電流IGND是指串聯調整管輸出電流為零時，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時也稱為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯調整元件時，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差線性穩(wěn)壓器的接地電流很小。
5. 輸出電容器
典型LDO需要增加外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串聯電阻(ESR)會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10 mΩ量級，而鉭電容器ESR在100 mΩ量級。另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會對LDO性能產生不利影響。電容的具體應用需要咨詢LDO廠商以確保正確實施。
6. 封裝
選擇LDO產品時應考慮LDO的散熱，負載大的LDO應盡可能選擇大封裝，這樣有利于LDO性能穩(wěn)定。
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LDO應用于開關電源設計
遵循以上原則，本文選擇哈爾濱圣邦微電子有限公司生產的SG2002和SG2012系列LDO。
應用LDO于開關電源的電路如圖2所示，圖中虛線部分是開關電源通常采用的電路，它可以給LDO提供+6V/1.5A的輸出電壓/電流。該電源應用SG2002-5.0XN5/TR、SG2012-3.3XKC3/TR、SG2012-2.5XKC3/TR以及SG2012-1.8XKC3/TR分別生成+5.0V/0.3A、3.3/0.4A、2.5V/0.4A以及1.8V/0.4A電壓/電流。圖中LDO芯片的輸入端和輸出端接有1uF的瓷片電容，以此提高LDO的穩(wěn)定性。在每個LDO的BP端接上一個0.01uF的瓷片電容，可以有效地降低LDO的輸出噪聲。
圖2：LDO應用于開關電源原理
LDO在開關電源中的作用
1. 簡化開關電源設計
開關電源多路輸出一般通過增加高頻變壓器反饋端來實現，這使得開關電源在設計過程中增加了設計者的工作量。應用LDO作為開關電源的輸出終端，可以極大地簡化開關電源的設計，縮短開發(fā)周期。
2. 提高開關電源的負載調整率
LDO是來穩(wěn)定電源電壓的專用芯片，目前有很多公司設計的LDO的負載調整率非常小。應用LDO可以大幅度地降低開關電源負載調整率。
3. 有效濾除開關電源電磁干擾，減小紋波輸出
開關電源的突出缺點是產生較強的EMI。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產品造成干擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個干擾源。LDO有較高的電源抑制比，且LDO是低噪聲器件，因此應用LDO可以有效地濾除開關電源EMI，減小紋波輸出。
4．為開關電源提供過流保護
盡管許多PWM控制芯片本身具有過流保護功能，但LDO的過流保護功能可以提升開關電源的安全系數。
試驗分析
下面通過以下兩個實驗來驗證該方案的可行性：
1．測量負載調整率
實驗電路如圖3所示。由電子負載依次拉出0mA到400mA的電流，在每個負載點記錄下開關電源的輸出電壓。測試數據經過處理，可以得出圖4所示的圖表。該圖充分說明，LDO優(yōu)秀的負載調整率已經被完全移植到開關電源上。換言之，LDO極大地提高了開關電源的負載調整率。
圖3：開關電源負載調整率測試電路
2．輸出紋波的測量
分別在開關電源的LDO輸入端和輸出端接上示波器，可以得出圖5所示的波形。其中Ch1是LDO入口處的輸出波形，而Ch2是LDO出口處的輸出波形，即開關電源的最終輸出波形。
由上圖可以看出，LDO有效地濾除了開關電源EMI信號，相對于搭建常規(guī)EMI過濾器來講，應用LDO更簡單可靠。
