随着笔记本电脑、手机、PDA 等移动设备的普及,对应各种电池电源使用的集成电路的开发越来越活跃,高性能、低成本、超小型封装产品正在加速形成商品化。LDO(低压差)型线性稳压器由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、小尺寸等特点，在便携式电子产品中获得了广泛应用。
在便携式电子产品中,电源效率越高意味着电池使用时间越长, 而线性稳压器效率=输出电压×输出电流/输入电压×输入电流×100% 大功率电感贴片电感器,因此,输入与输出电压差越低、静态电流(输入电流与输出电流之差) 就越低，线性稳压器的工作效率就越高。
本文设计的低压差线性稳压器其输出电压为2.5V 或输出可调,满足当负载为1mA 时,最小输入输出压差为0.4mV ,当负载为300mA 时,压差为120mV ,电源电压工作范围为2.5～6V。
1 电路结构与工作原插件电感器理
低压差线性稳压器的电路结构如图1 所示,电路由调整管,带隙基准电压、误差放大器、快速启动、过流限制、过热保护、故障检测、及取样电阻网络等模块组成,并具有使能、输出可调等功能。调整管作为压差的负载器件,要满足本设计的要求,对于它的选择需重点考虑: 首先比较三极管和MOS管,由于三极管是流控器件,而MOS管是压控器件,比较而言MOS管结构的静态电流更低。其次,NMOS管工作时需一比输出电压高的驱动信号,而PMOS管则无此需求,特别在低输入电压时要产生一高的驱动电压变得较困难。因此,本文采用PMOS管作为调整管。
图1 低压差线性稳压器电路结构
电路的工作原理是: 在电路上电过程中,快速启动电路内有一个500μA 的电流源的对CC端的旁路电容C充电,使电路尽快上电启动,误差运放的同相端经由取样电阻R1 、R2对输出电压V0采样,再与Vref比较后输出放大信号,控制调整PMOS管的栅极电压,使输出电压V0 保持稳定,即:
电路在工作过程中出现过流、过热情况时,过流限制与过热保护电路会快速响应,调整管的导通状态会被减弱、关断,保护电路不致损坏,同时故障检测电路会产生一个低电平信号。使能端接高电平时电路正常工作;当使能端为低电平时,基准电路及调整PMOS管关断,电路处于等待状态。
2 关键特性分析及设计考虑
2.1 漏失电压(VDO) 和静态电流(Iq)
漏失电压定义为维持稳压器正常工作的最小输入输出电压差,它是反映调整管调整能力的一个重要因素。对采用PMOS 管作调整管的电路,漏失电压由导通电阻(Ron) 和负载电流(Io) 确定,即: VDO = Io×Ron 。低压差线性稳压器的静态电流为输入电流与输出电流之差,即: Iq = Ii -Io。静态电流由偏置电流和调整管的栅极驱动电流组成。对PMOS 调整管而言,栅极由电压驱动,几乎不产生功耗。在稳压器承载小负载或空载时,漏失电压极低,静态电流等于稳压器工作时的总偏置电流。设计时注意使PMOS 调整管的导通电阻塑封电感器和漏电流尽可能做小,各模块电路在小电流状态下能正常工作。
2.2 功耗( Pw) 和效率(η)
低压差线性稳压器的功耗为输入能量与输出能量之差,即:
PW = VI II - VO IO = ( VI - VO) IO + VI Iq
上式中,前一项是调整管产生的功耗,后一项是静态电流功耗。稳压器效率如前所述可表示为:
&eta色码电感器;= IO VO / ( IO + Iq ) VI ×100 % ,功耗与效率的表达式充分说明对于低压差线性稳压器,低漏失电压、低静态电流意味着低功耗、高效率。
2.3 负载调整能力和电压调整能力
负载调整能力指当输出电流变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔIO ,它表征了负载变化而稳压器维持输出在标电感器生产称值上的能力,该值越小越好。电压调整能力指当输入电压变化时,输出电压维持一定值的能力,定义为: ΔVO / ΔVI ,它表征了输入电压变化而稳压器维持输出在标称值上的能力,该值也是越小越好。对图1 的电路结构其负载调整能力和电压调整能力分别为:
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