淺談低壓差線性穩(wěn)壓器

1、淺談低壓差線性穩(wěn)壓器（ldo）的psrr和在usb電路中的應(yīng)用淺談低壓差線性穩(wěn)壓器（ldo）的psrr作者：圣邦微電子任明巖 時fuj： 2008-03-24來源:電子產(chǎn)品世界 瀏覽評論 推薦給好友 我冇 孵上能純 關(guān)鍵詞：ldo psrr usb電路引言便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)山電池供電的設(shè)備時，諸如 手機(jī)、mp3、pda、pmp、dsc等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理， 則會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和 功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多 加考慮。例如現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器，一般都設(shè)有幾個不同的工作狀態(tài)，通

2、過一系列不同的節(jié)能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對電池容量的 消耗。即當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時，處理器就會進(jìn)入電源消耗較 少的低功耗模式。帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器（ldo）是不錯的選擇。圖1 ldo低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)ldo的基本原理ldo是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它通常具有極低的自有噪聲和較 高的電源抑制比 psrr( power supply reject io n ratio )。ldo低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖1,主要包括啟動電路、恒流源偏置單 元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路 等，基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳

3、處于高電平時，電路開 始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著 輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓 也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤 差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出 電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回 路將使輸出電壓保持不變，即：vout= (r1 + r2) /r2 * vref實(shí)際的低壓差線性穩(wěn)壓器還具有如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、 反接保護(hù)等其它的功能。電源抑制比(psrr)電源抑制比是反應(yīng)ldo輸出對輸入紋波抑制能力的一

4、個交流參數(shù)，一般 輸出和輸入的頻率是一樣的，psrr的值越大說明ldo的紋波能力越強(qiáng)，也就 是說輸入對輸岀的影響很小。和噪聲(noise)不同，噪聲一般為在10hz至 100khz頻率范圍內(nèi)一定輸入電壓下其輸岀噪聲電壓的均方值(rms),psrr 的單位是db,公式如下。psrr= 20 log (avin/avout)圖2 為 sgm2007 在 cbp 二 0.1 f, iload = 50ma,cout = 1ff =10kh乙的輸岀和輸入的電壓曲線。1.502s5o>1x50圖2 sgm2007輸出和輸入的電壓曲線由公式 psrr= 20 log (avin/avout) = 6

5、0 (db),當(dāng)輸入變化了 1 v的時候，輸出才變化了 1 mv可見紋波抑制能力還是很強(qiáng)的。圣邦微電子的sgm2007高性能低壓差線性穩(wěn)壓器ldo在10hz至100khz頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲為30 v(rms),在1 khz的頻率下電源抑 制比(psrr)高達(dá)73db,它能夠?yàn)橹T如射頻(rf)接收器和發(fā)送器、壓控振蕩 器(vco)和音頻放大器等對噪聲敏感的模擬電路的供電提供低噪聲、高電 源抑制比(psrr)和快速瞬態(tài)響應(yīng)，使能電路兼容ttl電平，適合數(shù)字于電 路供電。sgm2007的輸入電壓在2.5v至5.5v之間，適合藍(lán)牙數(shù)碼相機(jī)和 個人數(shù)字助理(pda),以及諸如無線和高端音頻產(chǎn)品等單個鋰

6、電池供電或i古i 定3.3v和5v的系統(tǒng)。提高psrr的方法bp端加旁路電容為降低基準(zhǔn)噪聲，提高ldo的psrr,需要在ldo基準(zhǔn)的輸岀端增加-路低 通濾波器，濾波器可以集成在線性穩(wěn)壓器內(nèi)部或由外部電路實(shí)現(xiàn)。內(nèi)置濾波 器占用了佼大的管芯尺寸，增加芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，有些低噪聲ldo芯 片只是提供一個基準(zhǔn)的引腳bp (bypass)，用于連接基準(zhǔn)旁路電容。增大旁路電容，有利于減小輸出噪聲，提高ldo的psrr。建議使用陶瓷電 容的典型值為470 pf到0.01 f o也可使用此范圍以外的電容，但會對輸 入電源上電時ldo輸出電壓上升的速度產(chǎn)生彩響，旁路電容值越大，輸出電 壓上升速率越慢。在使用

7、時這點(diǎn)要注意。如圖3為旁路電容對sgm2007 psrr影響，可見增大旁路電容會在一定頻率上提高psrr的值。10 10() 1000 r 10000 f:requency (1iz)100000 1000000圖3旁路電容對sgm2007 psrr的影響增大ldo的輸出電容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?yàn)樗鼈儍r格低而且故障模式是斷路，相比之下袒電容器比較昂貴h其故障 模式是短路。輸出電容器的等效串聯(lián)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10mq量級 采

8、用陶瓷電容吋，建議使用x5r和x7r電介質(zhì)材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂休^好的溫度穩(wěn)定性。如圖4為輸出電容對sgm2007 psrr的影響。人電容器一般在一定頻率范圍內(nèi)會提高電源抑制比(psrr)減小ldo的負(fù)載電流。10 100 1000 10000 100000 100000()frequency(hz)圖4輸出電容對sgm2007 psrr的影響負(fù)載電流也會在一定程度上影響ldo的psrro如圖為負(fù)載電流對sgm2007 psrr影響，山圖5可見隨著負(fù)載電流的增大，psrr也會有一定程度的減小。為了減小負(fù)載電流對ldo的psrr影響，要盡量選擇輸出電流大的ldoo90)n h7 65()j1 3

9、(hp)ssdpowcr-suppry reject ion rat io vs l;rcquency100100()i ()000frequency(hz)10()000 1000000圖5隨著負(fù)載電流的增大，psrr也會有一定程度的減小大多數(shù)蜂窩電話皋帶芯片組需要三組電源：內(nèi)部數(shù)字電路、模擬電路和外設(shè)接口電路?；鶐幚砥鳎╞b）的數(shù)字電路供電電壓的典型值為1.8v至 2.6v,-般情況下，li+電池電壓降至3.2v-3.3v時電話將被關(guān)閉,對于為 基帶處理器供電的ldo來說至少有500至600mv的壓差，因此對壓差要求不 高。另外，數(shù)字電路本身對ldo的輸出噪聲和psrr的要求也不高，而是

10、要求 ldo在輕載條件下具有極低的靜態(tài)電流。基帶處理器內(nèi)部模擬電路供電電壓典型值是2.4v至3.0v,壓差在 200mv至600mvo耍求ldo具有較高的低頻（gsm電話為217hz）紋波 抑制能力，消除由rf功率放大器產(chǎn)生的電池電壓紋波。rf電路分為接收和發(fā)送兩部分，供電電壓典型值為2.6v至3.0v,其中 低噪聲放大器（lna）、混頻器、鎖相環(huán)（pll）、壓控振蕩器（vco）和中 頻（if）電路需耍低噪聲、高psrr的ldo。在usb電路中的應(yīng)用ldor泛應(yīng)用于諸如手機(jī)、mp3、pda、pmp、dsc等便攜設(shè)備中，當(dāng) 為便攜設(shè)備的usb供電設(shè)計(jì)時，一般都是用到3.3伏的ldo如圖6。很多便

11、 攜設(shè)備在連接usb接口時，都要判斷是為便攜設(shè)備充電，還是連接usb設(shè) 備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一般的設(shè)計(jì)方法是在ldo的vout通過一個1 0k上拉電阻 接到usb的d+ 由另一部分電路判斷當(dāng)前的狀態(tài)是充電（charge）還是連 接usb設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（data） 如果ldo的vout倒罐電流很大，也就 是說，ldo的輸出阻抗很小，那么ldo的vout就會被強(qiáng)制拉低那么便攜設(shè) 備就會判斷不出是充電（charge）還是連接usb設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（data）。5v<z1gpo usb v1n-en ivout ? bpct9c1 loonfsgm2007vusb2.2ufws810kavdo 2

12、.8v01丁 dtodepin >adc4jjsb >1.4v charger>o圖6 3.3伏的ldo工程師在為便攜設(shè)備usb供電選擇時ldo要特別注意ldo vout倒罐電 流對電路的影響。有些ldo的vout倒罐電流很人約為10ma,有些很小約為 兒十ua.如圖7為圣邦微電子的sgm2007在vin=5v, en=0v, vout外加 電壓和流入vout電流的曲線。山曲線可見流入vout的電流很小，在外加電 壓為5.5伏時，流入的電流才40uaoout pin current vs output vol lage()123456output vollage(v)圖7sgm2007 vout外加電壓和流入vout電流曲線結(jié)語新型音頻電路，如免提電話、游戲機(jī)、mp3及蜂窩電話中的多媒體