Особенности применения LDO-стабилизаторов

01.12.2023 |

В статье рассмотрены основ­ные параметры и особен­ности применения LDO-стаби­лизаторов.

К. Мараско

LDO-стабилизатор или low-dropout regula­tor – линейный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения на регулирую­щем транзисторе. Такие стабилизаторы име­ют широкий диапазон как входных, так и вы­ходных напряжений и обеспечивают боль­шую нагрузочную способность. Большинство современных ИМС для управления электро­питанием (Power Management ICs – PMICs) содержат LDO-стабилизаторы. Эти ИМС нахо­дят широкое применение в портативной ау- дио-/видеоаппаратуре. Однако в связи с быст­рым развитием такой аппаратуры ИМС для управления электропитанием, как правило, не могут обеспечить возрастающее число уровней напряжения питания, что приводит к использованию в портативных устройствах автономных LDO-стабилизаторов. Примене­ние линейных LDO-стабилизаторов в высоко­качественной аудио-/видеоаппаратуре позво­ляет повысить КПД источников питания и снизить уровень шумов и электромагнитных помех.

Базовая функциональная схема LDO-стаби­лизатора (рис. 1) содержит источник опорного напряжения (ИОН), усилитель рассогласова­ния (УР), делитель напряжения в цепи обрат­ной связи и регулирующий транзистор (РТ). Выходной ток LDO-стабилизатора протекает через регулирующий транзистор, управляе­мый усилителем рассогласования. Усилитель сравнивает напряжение на выходе ИОН с на­пряжением на выходе делителя и усиливает разницу этих напряжений таким образом, чтобы в конечном счете свести ее к миниму­му.

 

Рис. 1. Базовая схема LDO-стабилизатора

 

Из сказанного можно сделать вывод, что LDO-стабилизатор представляет собой следя­щую двухполюсную систему с обратной связью. Первый полюс формируется внутрен­ними узлами стабилизатора: усилителем рас­согласования и регулирующим транзистором, положение второго полюса зависит от величи­ны емкости нагрузки и выходного фильтра. Устойчивость работы стабилизатора и его спо­собность быстро отрабатывать изменение соп­ротивления нагрузки зависят, прежде всего, от величины выходной емкостной нагрузки и коэффициента усиления усилителя. Чем боль­ше емкость выходного конденсатора, тем меньше уровень шумов на выходе LDO-стаби­лизатора и меньше влияние переходных про­цессов, вызванных изменением сопротивле­ния нагрузки. Однако, чем больше емкость вы­ходного конденсатора, тем дольше LDO-стаби­лизатор выходит на рабочий режим. Следует отметить, что LDO-стабилизаторы компании Analog Devices разработаны с учетом указан­ных выше противоречивых требований, что позволяет разработчику выбрать необходимую ИМС стабилизатора в полном соответствии с условиями ее применения.

 

Основным требованием к LDO-стабилизато­рам является высокий КПД, определяемый со­отношением

Из (1) следует, что чем меньше ток потреб­ления Iпотр, тем больше КПД. Однако для сов­ременных LDO-стабилизаторов выходной ток во много раз превышает ток потребления, поэ­тому при выборе ИМС стабилизатора им, как правило, пренебрегают. Исходя из этого, (1) примет вид

Так как ток потребления современных LDO-стабилизаторов очень мал, основные по­тери энергии в нем связаны с выделением теп­ла. Мощность рассеяния LDO-стабилизаторов РLDO  можно определить из выражения

Таким образом, применение LDO-стабили­заторов в источниках питаниях позволяет обес­печить высокий КПД, устойчивую работу в ус­ловиях изменяющейся нагрузки, малые вре­менной и температурный дрейфы технических характеристик. Наиболее целесообразно ис­пользовать LDO-стабилизаторы в источниках питания, в которых первичное напряжение формируется аккумуляторами. Так, напри­мер, ионно-литиевая аккумуляторная батарея в заряженном состоянии имеет на выходе на­пряжение 4.2 В, а в разряженном – 3.0 В. Если подключить ее к LDO-стабилизатору с выход­ным напряжением 2.8 В, то в случае заряжен­ного аккумулятора КПД стабилизатора соста­вит 67%, а в случае разряженного – 93%. Ис­пользование линейных LDO-стабилизаторов на выходе импульсных стабилизаторов позволяет существенно улучшить параметры источника питания практически без потери КПД. Так, ес­ли к выходу импульсного стабилизатора с вы­ходным напряжением 3.3 В подключить ли­нейный LDO-стабилизатор с КПД 85%, общий КПД такого источника питания при КПД им­пульсного стабилизатора 95% составит 81%.

Наличие в LDO-стабилизаторе разрешаю­щего входа Enable (EN) позволяет управлять временем включения/выключения источника питания в системах с многоуровневыми напря­жениями питания. “Мягкий” старт позволяет уменьшить бросок пускового тока в момент включения источника питания, энергосберега­ющий режим дает возможность увеличить ре­сурс батарейного питания. Кроме того, совре­менные LDO-стабилизаторы имеют защиту от перегрева, перенапряжения на входе и пере­грузки. LDO-стабилизатор может быть автома­тически выключен, если его напряжение пита­ния снизится ниже допустимого значения. На рис. 2 приведена типовая функциональная схе ма многоуровневого источника питания, вы­полненного на основе LDO-стабилизаторов.

Рис. 2. Типовая схема многоуровневого источника питания для портативных систем

 

Линейные LDO-стабилизаторы типа ADP170 и ADP1706 предназначены для пост­роения источников питания микропроцессор­ных устройств, включая ядро (Core), память (Memory) и I/O-узлы. Такие стабилизаторы поддерживают высокий КПД и обеспечивают стабильный выходной ток при быстром изме­нении нагрузки. Это особенно важно при фор­мировании напряжения питания микропро­цессорного ядра, тактовая частота которого часто изменяется и соответственно изменяется потребляемый ток, что позволяет увеличить ресурс батарейного питания. Цифровые уст­ройства при работе на высокой частоте могут формировать в шине питания короткие им пульсы положительной и отрицательной по­лярности. Это может привести к кратковре­менной потере устойчивости стабилизатора напряжения и, как следствие, сбою микропро­цессорного устройства. Следует отметить, что степень устойчивости линейных стабилизато­ров к импульсным изменениям нагрузки не всегда указана в технической документации (data sheet). Поэтому при проектировании ис­точников питания микропроцессорных уст­ройств необходимо проверить, обеспечивает ли выбранный LDO-стабилизатор устойчивую ра­боту в условиях импульсного изменения соп­ротивления нагрузки. Современные LDO-ста­билизаторы имеют малый ток потребления, в них предусмотрен “спящий” режим, ток пот­ребления в котором не превышает 1 мкА. При переходе в активный режим LDO-стабилизато­ры компании Analog Devices имеют малое вре­мя задержки включения. Кроме того, в них имеются цепи защиты от выхода напряжения Uвых за установленные пределы.

Если линейные LDO-стабилизаторы пред­назначены для построения источников пита­ния аналоговых и высокочастотных уст­ройств, они должны обеспечивать малый уро­вень шумов на выходе и высокий коэффициент ослабления нестабильности питания. К таким стабилизаторам относятся ИМС компании Analog Devices типа ADP121 и ADP130.

При выборе диапазона входных напряже­ний LDO-стабилизатора необходимо учиты­вать, что минимальное входное напряжение должно быть больше падения напряжения на регулирующем транзисторе стабилизатора плюс напряжение на выходе источника пита­ния. Так, например, если выходное напряже­ние LDO-стабилизатора должно быть не менее 2.8 В, а падение на регулирующем транзисторе при максимальном токе нагрузки составляет 150 мВ, то входное напряжение LDO-стабили­затора должно быть не ниже 2.95 В.

Потребляемый LDO-стабилизатором ток оп­ределяется как разница между входным током и током нагрузки. Отметим, что, если LDO-ста­билизатор имеет регулируемое внешним дели­телем выходное напряжение, то ток через этот делитель также нужно учитывать при расчете потребляемого стабилизатором тока.

Компания Analog Devices выпускает LDO- стабилизаторы, отличающиеся высокой точ ностью. Как правило, погрешность этих стаби­лизаторов не превышает ±1% при 25 °С. По­грешность выходного напряжения зависит от величины входного напряжения, тока нагруз­ки и рабочей температуры. Графики этих зави­симостей приведены в технической документа­ции.

Большинство LDO-стабилизаторов устойчи­вы к медленному изменению тока нагрузки, однако при быстром изменении сопротивления нагрузки на выходе стабилизатора могут воз­никнуть переходные процессы. Графики зави­симостей выходного напряжения от скорости изменения тока нагрузки, как правило, приве­дены в технической документации.

Типовое падение напряжения на регулиру­ющем транзисторе составляет не более 100 мВ. Максимальное значение этого параметра опре­деляется при максимальных токе нагрузки и температуре окружающей среды.

Время включения LDO-стабилизатора изме­ряется от момента его запуска и до момента достижения уровня выходного напряжения 90% номинального значения.

Чтобы определить граничный ток нагрузки LDO-стабилизатора, необходимо увеличивать его значение до тех пор, пока выходное напря­жение стабилизатора не снизится до 90% но­минального.

Большинство современных LDO-стабилиза­торов имеет защиту от перегрева. Если темпе­ратура окружающей среды превысит заданное значение, он автоматически переходит в ре­жим покоя. Встроенный в стабилизатор темпе­ратурный датчик имеет некоторый гистерезис, что обеспечивает надежное охлаждение ИМС стабилизатора до его автоматического возвра­та в активный режим.

Как отмечалось выше, многие ИМС LDO- стабилизаторов имеют цепи внешнего включе- ния/выключения, что позволяет создавать на их основе многоуровневые источники питания с индивидуальным временем включения каж­дого.

При снижении входного напряжения ниже допустимо уровня большинство LDO-стабили­заторов автоматически переходят в “спящий” режим.

LDO-стабилизаторы имеют встроенный опорный источник типа band-gap, что обеспе­чивает малый уровень шумов на выходе. Так, например, стабилизатор типа ADP121 имеет на выходе среднеквадратичный уровень шума не более 40 мкВ в полосе частот от 10 до 100 кГц при Uвых=1.2 В.

Коэффициент ослабления нестабильности питания современных LDO-стабилизаторов составляет не менее 70 дб при частоте пульса­ций от 1 до 10 кГц. В технической документа­ции на LDO-стабилизаторы, как правило, со­держатся рекомендации по выбору типа вход- ного/выходного конденсаторов и величины их емкости.

В большинстве LDO-стабилизаторов имеет­ся встроенный диод между выводами Uвх и Uвых, включенный параллельно регулирующе­му транзистору. Если U вх> U, этот диод за­перт, если U вх< U , диод отпирается и пропус­кает ток от нагрузки ко входу, шунтируя тем самым обратный ток, который может вывести из строя регулирующий транзистор.

В некоторых LDO-стабилизаторах, предназ­наченных для питания микропроцессорных или высокочастотных устройств, предусмот­рен режим “мягкого” пуска, защищающий стабилизатор от бросков больших пусковых токов. Этот режим задается внешним конден­сатором, подключение которого к специаль­ным выводам ИМС (см., например, data sheet на ИМС ADP1740) затягивает выход стабили­затора на рабочий режим.

ВЫВОДЫ

Линейные LDO-стабилизаторы являются идеальными устройствами для построения ис­точников питания как аналоговых, так и циф­ровых устройств.

При проектировании источников пита­ния на основе LDO-стабилизаторов необходимо учитывать множество параметров, приведен­ных в технической документации в виде таб­лиц и графиков.

Для ускорения процесса проектирования источников питания на основе LDO-стабилиза­торов и оптимального выбора ИМС для таких устройств рекомендуется использовать вирту­альные средства моделирования и проектирова­ния компании Analog Devices – ADIsimPower.