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提升LDO性能实现低功耗精密电压输出
发布时间： 2023/5/25 9:28:54 | 85 次阅读
电流环路，自20世纪50年代开始，就已经成为过程控制系统中信号传输和电子控制的标准。很多电流环路的电源是通过LDO来提供的，这是一种简单而又经济的方法，可在多种应用中将较高的输入电压转换为稳定的输出电压。
LDO的热性能影响
LDO 的本质是通过将多余的功率转化为热量来调节电压，从而使该集成电路非常适合低功耗或VIN与VOUT差值较小的应用。我们知道DC/DC的效率普遍是高于LDO的，其实当输入电压和输出电压很接近，那么LDO稳压器也能达到很高的效率，也就是压差足够小的情况下，LDO效率其实并不低。但如果并不接近，压差太大，消耗在LDO上的能量会增加不少，既会增加器件功耗又会影响效率。
这一点很好理解，不考虑接地电流的情况下，LDO的输入电流和输出电流是相等的，那么输入和输出电压相差得越多，则就有更多剩余功率都耗散在LDO中，这导致剩余的电能转化为热量，影响功耗影响效率。
LDO的热性能是衡量封装器件将热量从裸片传递到PCB的指标，如果封装不能很好地耗散功率，那裸片会发热导致器件关断，长此以往可靠性也会降得很低。PCB的设计和布局以及散热焊盘尺寸会明显影响到LDO的热性能。所以有时候并不能一味地追求小封装，尺寸上的稍稍增加能使得温升进行得更慢，在小型化和散热性能上需要做取舍衡量。
在LDO设计布局中可以尽可能多地将铜连接到LDO散热焊盘，增大散热尺寸，并在LDO周围规划散热过孔，这都能有效帮助LDO提升散热能力。
降低LDO功耗延长运行时间
降低功耗是现在各种电源芯片都重点设计的一个环节，降低静态电流是行之有效的一个办法，但前提是静态电流的降低不会降低整体设备的系统性能。LDO如果能提供低的待机功耗和出色的负载瞬态响应，那么相关设备就能在维持主要性能的同时zui大限度地延长整机电池的运行时间。
静态电流是指LDO空载和非开关但启用状态下消耗的电流，对于LDO来说这一电流的主要贡献来自电压参考和误差放大器。另一个和静态电流相关的是LDO的Dropout电压，Dropout电压也就是指输入电压VIN必须保持在所需输出电压VOUT以上的zui小电压差。
如果输入/输出电压降低到Dropout电压，则LDO电路中的FET栅极的驱动电压将达到其工作极限。在这个过程中，当所有这些内部回路都饱和时，静态电流通常会大幅上升。所以LDO需要使用平衡的差动驱动电路来保持合理的静态电流，即使是在Dropout状态。
噪声与LDO
LDO作为电子器件也会有噪声，噪声来源分为内部噪声与外部噪声。外部噪声的抑制能力PSRR和LDO的整体设计相关。想进一步提高外部噪声抑制也可以通过额外增加滤波等手段来实现。内部噪声集中在噪声频谱的低侧，这种噪声主要来自内部参考电压，也有可能来自误差放大器、场效应晶体管和电阻分压器。
很少会选择降低误差放大器带宽来抑制内部噪声，这会降低器件的动态性能。加上前馈电容是提高LDO整体性能很好的办法，既能改善噪声性能，也有提供更快的负载瞬态响应，对于PSRR也有帮助。
噪声抑制尽可能还是要在LDO内部做文章，增加额外器件会增加成本与体积，合理且灵活的内部设计更契合现在的趋势一些。
小结
不同应用的方向LDO看重的性能不尽相同，有的看重低噪声和高电源抑制能力，有的看重功耗，有的看重LDO对负载的调整能力。对很多需要低功耗的精密输出电压应用来说，LDO都是很合适的选择。
LDO的热性能影响
LDO 的本质是通过将多余的功率转化为热量来调节电压，从而使该集成电路非常适合低功耗或VIN与VOUT差值较小的应用。我们知道DC/DC的效率普遍是高于LDO的，其实当输入电压和输出电压很接近，那么LDO稳压器也能达到很高的效率，也就是压差足够小的情况下，LDO效率其实并不低。但如果并不接近，压差太大，消耗在LDO上的能量会增加不少，既会增加器件功耗又会影响效率。
这一点很好理解，不考虑接地电流的情况下，LDO的输入电流和输出电流是相等的，那么输入和输出电压相差得越多，则就有更多剩余功率都耗散在LDO中，这导致剩余的电能转化为热量，影响功耗影响效率。
LDO的热性能是衡量封装器件将热量从裸片传递到PCB的指标，如果封装不能很好地耗散功率，那裸片会发热导致器件关断，长此以往可靠性也会降得很低。PCB的设计和布局以及散热焊盘尺寸会明显影响到LDO的热性能。所以有时候并不能一味地追求小封装，尺寸上的稍稍增加能使得温升进行得更慢，在小型化和散热性能上需要做取舍衡量。
在LDO设计布局中可以尽可能多地将铜连接到LDO散热焊盘，增大散热尺寸，并在LDO周围规划散热过孔，这都能有效帮助LDO提升散热能力。
降低LDO功耗延长运行时间
降低功耗是现在各种电源芯片都重点设计的一个环节，降低静态电流是行之有效的一个办法，但前提是静态电流的降低不会降低整体设备的系统性能。LDO如果能提供低的待机功耗和出色的负载瞬态响应，那么相关设备就能在维持主要性能的同时zui大限度地延长整机电池的运行时间。
静态电流是指LDO空载和非开关但启用状态下消耗的电流，对于LDO来说这一电流的主要贡献来自电压参考和误差放大器。另一个和静态电流相关的是LDO的Dropout电压，Dropout电压也就是指输入电压VIN必须保持在所需输出电压VOUT以上的zui小电压差。
如果输入/输出电压降低到Dropout电压，则LDO电路中的FET栅极的驱动电压将达到其工作极限。在这个过程中，当所有这些内部回路都饱和时，静态电流通常会大幅上升。所以LDO需要使用平衡的差动驱动电路来保持合理的静态电流，即使是在Dropout状态。
噪声与LDO
LDO作为电子器件也会有噪声，噪声来源分为内部噪声与外部噪声。外部噪声的抑制能力PSRR和LDO的整体设计相关。想进一步提高外部噪声抑制也可以通过额外增加滤波等手段来实现。内部噪声集中在噪声频谱的低侧，这种噪声主要来自内部参考电压，也有可能来自误差放大器、场效应晶体管和电阻分压器。
很少会选择降低误差放大器带宽来抑制内部噪声，这会降低器件的动态性能。加上前馈电容是提高LDO整体性能很好的办法，既能改善噪声性能，也有提供更快的负载瞬态响应，对于PSRR也有帮助。
噪声抑制尽可能还是要在LDO内部做文章，增加额外器件会增加成本与体积，合理且灵活的内部设计更契合现在的趋势一些。
小结
不同应用的方向LDO看重的性能不尽相同，有的看重低噪声和高电源抑制能力，有的看重功耗，有的看重LDO对负载的调整能力。对很多需要低功耗的精密输出电压应用来说，LDO都是很合适的选择。