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线性稳压器的基础

这里所提的线性稳压器是IC(Integrated Circuit/集成电路),与其他的IC,例如运算放大器等,同样有表示特性或性能的规格。规格的英语为Specification,有方法、标准、基准等含义。线性稳压器的技术规格即规格表,其中有表示输出电压值及其精度等。这些称为参数。技术规格除了参数之外,还记载了最大额定值、工作保证条件、特性图表等非常重要的信息。图-9为基本技术规格、规格确认点及规格表例。

绝对最大额定值定义为连一瞬间都不可超过的值。其中虽然然有时会包含短路时间等时间概念的项目,不过基本上任何时间都不可超过,当然更没有±5%的公差值。有时会出现:“超过的话会如何?”或“有多少余量?”等提问。或许大家有兴趣知道,不过考虑绝对最大额定值的定义后就了解这问题并没有讨论的空间,应该探讨的是如何让使用上的最大值不超过最大额定值,或是使用较充裕的最大额定值。

保证规格值的条件非常重要,例如确认施加电压或温度等。实际使用条件和规格要求条件未必一致。例如,如果条件为Ta=25℃,其保证值则终究为Ta=25℃下的值。然而,实际使用上并非Ta=25℃这样的恒温条件中。因此,查看规格值时务必确认是否为某一点值、某范围,例如工作保证温度的值,然后再确认实际使用条件及接近设计设备工作条件的值。附带的特性图表可有助于判断。

最后,规格值会记载最小值(Min)、最大值(Max)、标准值(Typ)的任何一值或全部。其中,可以保证的只有最小值和最大值。标准值根据特性分布或统计手法,数值有“大概这么多”的含义。尽管基本上以规格值作为设计的基础,然而到底该使用哪个值来设计才好呢?标准值的大概是什么意思?原则上来说是要以最差条件的值为基准。如何判断就需要靠设计者的诀窍与经验。

下面介绍线性稳压器中最起码必须了解和探讨的7项关键要点规格。当然,其他规格也不能忽视。除了线性稳压器外,充分阅读技术规格对设计者来说也非常重要。

图 9:技术规格、规格的确认要点

图 9:技术规格、规格的确认要点

  • 1) 输入电压范围
  • 2) 输出电压范围
  • 3) 输出精度(VREF精度)
  • 4) 输出电流
  • 5) 压差电压
  • 6) 瞬态响应特性
  • 7) 纹波抑制率

关键要点:

・绝对最大额定为必须严格遵守的重要项目。

・在设计上,所有工作温度范围内可保证的值是有效的。

・Typical值非保证值。

・充分阅读技术规格(不要仅限于电源IC的)也非常重要。

输入电压范围

输入电压范围必须确认2个值。最大额定值所显示的范围有“可输入”之意,施加电压的范围,并非表示在此范围内都会正常工作所以要默认不稳定电压的状况,并确认是否在范围内。

图 10:输入输出的关系

图 10:输入输出的关系

区别于最大额定,还有工作输入范围或推荐输入范围项目,故以后两者为目标。

图10为输入范围、输出范围、以及压差电压的关系。有效输入范围为“输出电压+压差电压到最大输入电压之间”。线性稳压器只能降压,所以输入电压低于“输出电压+压差电压”无法工作。至于输入这种电压以下会如何则视IC电路构造而定,但大多会呈现“输入电压-压差电压”左右的电压。不过并不能保证是否稳定工作。如果输入电压更低时,一般认为会突然降至0V。但在以电池驱动等应用,电路都会持续工作到电池耗尽,这类电池应用也会使用到低电压领域。

关键要点:

・图10的关系须充分了解后设定输出输入条件。

输出电压范围

图 11

图 11

输出电压范围为可变型的专用规格,固定输出型则没有。输出电压范围,是指在支持可变上输出电压可设定的电压范围。

输出电压范围基本上其可变型可设定的最低电压为VREF。VREF是1-1)项工作原理中已说明的误差放大器所连接的比较用基准电压。工作电路无法处理低于基准电压(VREF)的电压。

VREF是IC的一部分,所以基本上无法从外部变更。一般来说,CMOS系线性稳压器大概使用0.8V左右,而双极是使用1.2V左右的VREF。这里必须注意的是,例如如果需要1V输出功率时,则不得选择1.2V的VREF

图 12

图 12

话题回到输出电压范围,其最低电压为VREFf,最大为最大输入电压(VIN MAX)-压差电压(图10参考)。

输出输入条件可根据上述关系以计算求得,但有时会因功率损耗而受限制。进行不超过TjMAX的热计算,有时会因VIN、VOUT、IOUT、Ta的的条件而需要权衡。

关键要点:

・通常无法将低于VREF的电压设定为输出。

・视设定条件而定,有时无法容许热损耗,故必须通过热计算来确认。

输出精度(VREF精度)

图 13

图 13

输出精度为固定输出型输出电压的容许误差。以前的标准为±5%,最近则大多为±1%的高精度。
输出精度与温度及输出电流密切相关,实际上的使用状况并非只在25℃,故设计时须参考全温度范围规格。

可变型方面,VREF精度合适,将成为IC本身的精度。可变型的输出电压由于可用外置电阻来设定,因此,可变型的输出精度须于VREF的精度掺入输出设定电阻的误差。

关键要点:

・可变型的输出电压精度受VREF精度及输出设定电阻的误差所影响。

・如果为通用电压,则最好使用固定型。输出精度更高,且不必外置2个电阻。

输出电流
输出电流的规格为保证可输出最低限电流的项目,基本上想必大多规定最小值。视技术规格而定,有时以输出电流界限(Output Current Limit)来表现。英语Limit的意义在此并非“限制”而是“界限”,如果可保证最小值,其意为“保证最小限度的电流值”,因此实际上为超过的电流。必须注意的是,有时会因误认该值为限流值而破坏负载。此外,有些IC会规定最小值和最大值。此时最大值有电流被限制之意,为慎重起见,最好向厂商确认其限制值。

图 14

图 14

那么,可以利用被保证的输出电流吗?答案是 “视条件而定”。在兼顾输出输入条件、周围温度条件的考虑下决定。这里再次陈述,对线性稳压器而言,永远需要热计算,而且是重要的管理项目之一。

类似规则中,有时会显示短路电流。短路电流是输出引脚接地故障,也就是与GND短路时所流动的最大电流。了解此电流的话将有助于在最恶劣条件下的应对决策。

几乎所有线性稳压器都拥有输出短路时的保护功能。热关断是代表性保护功能,检测出芯片温度后切断输出电流。线性稳压器的芯片通过此功能而不超过限制温度(大多在150℃前后)以上,故几乎在任何情况下都不会损坏。而在芯片的温度下降时,会自动复原(例如过热闭锁(Latch-Off)等),如果无法去除负载障碍的话,有时又会开始流出电流,间断流动可输出变成负载电流,也有可能在未达负载前的状态下不受保护。

关键要点:

・务必详细确认技术规格的符合项目,并确认是否为最大值或最小值。

・规定输出电流并非经常可以获得。受输入输出条件和TjMAX所限制。

・务必确认过电流时或短路时的工作(最大电流、热关断、过热闭锁等)具体会如何。

压差电压

图 10:输入输出的关系

图 10:输入输出的关系

压差电压是指线性稳压器稳定工作所必要的输入电压和输出电压的差。有时会以损耗电压表现,当然由于为前述定义的电压损耗,因此其意义不同于例如以12V输入得到5V输出时的电压损耗为7V。压差虽字义为释放(Dropout),但当输入电压接近输出电压时便无法维持稳定工作,输出会开始与输入成比例下降。此状态以英语的Dropout来表现,而进入此状态的电压,也就是稳定工作所需的输入电压和输出电压的差则称为Dropout电压(存在各种说法)。

先前用来表示输出输入电压和压差电压间关系的图10再显示一次。如1-3)线性稳压器电路构造和特征一项所说明,压差电压视IC的电路构造而定。相较于标准型,LDO的压差电压较低。就单纯关系而言,压差电压越低越能以接近输出电压的输入电压工作。这在输入电压会变动的电池驱动应用上成了重要的规格。反之,从12V制造5V的应用上,压差电压并不重要。另外,压差电压小的话,效率是否会变好? 这个问题稍后再做说明。

图 16:压差电压和输出电流

图 16:压差电压和输出电流

图 17:压差电压

图 17:压差电压

图16和17表格为压差电压、输出电流以及温度的关系。一如所见,对于温度或输出电流可以说各有其适当变动的参数。如果以常温规格勉强设计的话,有可能会因高温而无法工作。除了压差电压外,特性图表也提供了非常重要的信息。

图 15

图 15

重點:

・必须充分理解图10的关系。

・由于变动会因输出电流和温度而变大,因此切勿陷于最小输入电压时无法工作的条件中。

瞬态响应特性

瞬态响应特性如果输出电压通过负载电流的变动而变动时,线性稳压器将会回到所设定输出电压的电压值。从输出电压的变动到还原的时间称为瞬态响应特性。严格来说是负载瞬态响应特性。

稳压器的工作不就是稳压吗?...或许有人会问。的确,稳压器会使工作稳定,只是不仅是稳压器,任何东西在状态变化后一直到对应都需要一定的时间。输出的负载变动非常快速时,线性稳压器将来不及进行反馈(稳定化)电路反应,出现负载电流急剧増加时输出电压下降,急剧减少时上升的现象(参考图19、20)。

图 19:负载电流急増例。输出电压会随着振铃逐渐恢复后瞬间下降。

图 19:负载电流急増例。输出电压会随着振铃逐渐恢复后瞬间下降。

图 20:负载电流急减例。输出电压瞬间上升

图 20:负载电流急减例。输出电压瞬间上升

由此可见,在负载电流急剧变化的应用上,瞬态响应特性是很重要的特性。输出电压通过负载变动而大变动时,如果其恢复速度慢则或许会产生电路复位或数据错误等故障。为使这种故障减至最小限度,必须选择瞬态响应特性良好的线性稳压器。之后会说明的开关稳压器虽然也同样具有瞬态响应特性,不过线性稳压器的瞬态响应特性由于连续进行电路控制,故比较高速。

然而,瞬态响应特性几乎所有情况都无法保证规格。因其受到输出电容或配线电感值的影响,所以无法一概决定规定值。标准电路例的特性如图表所示,此时可作为参考值。如上述,由于特性也会因PCB设计而异,故最后推荐以实机进行实测。

图 18

图 18

关键要点:

・负载(输出)电流急剧变动时,输出电压会变动,在恢复之前需要时间(响应时间)。

・响应时间因IC或输出电容的特性而异(有可以改善的可能性)。

・变动太大时可能会超过电源监视功能的阈值而复位。

纹波抑制率

图 23

图 23

纹波抑制率是一种以输出可以抑制多少输入纹波电压的规格,虽有PSRR或输入电压纹波抑制等称号,然意义都相同。纹波抑制率大多以dB表示,例如如果为60dB,则表输入的纹波可去除为1/1000。如果为100mV的纹波,则为0.1mV。

纹波抑制率如果输入的纹波为大则很重要。最近多为开关式隐压器,在规避噪声的应用上也因效率等观点而改为使用开关稳压器。不过,在无法妥协S/N的应用上,为了去除附带开关稳压器输出的开关噪声(纹波),有时会利用线性稳压器的纹波抑制功能。虽然确实是有效的方法之一,不过必须详细探讨输入的纹波频率和纹波抑制率的频率特性。一般来说,纹波抑制性能当频率变高时会降低。因此,当纹波频率高时,有时获得的效果不太好。

图 21

图 21

图 22

图 22

图21为极普遍的线性稳压器纹波抑制特性,相对于频率,抑制率逐渐降低,由于80kH时约8dB左右,故只能去除到1/2.5。反之,开关稳压器的开关频率则高达数百kHz到数mega,例如600kHz的开关稳压器的纹波如果有100mV时,则会残留40mV的纹波。最近有针对频率特性改良的线性稳压器问世,图22例中,600kHz时的纹波抑制率有28dB,故可抑制到1/25,使纹波为4mV。

关键要点:

・原本的功能为降低整流-平滑后的纹波。

・连接于开关稳压器之后可降低开关纹波,要注意纹波频率。