6.1LDO的選型

LDO由于其極低的輸入輸出壓差，當(dāng)電路的分路電源有下面特點(diǎn)：

l要求電源轉(zhuǎn)換效率高。

l低噪音，高紋波抑制。

l占用PCB面積小，如：手機(jī)，高集成度的系統(tǒng)板等。

l電路中電源不允許使用電感，如手機(jī)。

l電源需要瞬時(shí)校準(zhǔn)和輸出狀態(tài)自檢的電路。

lVI可以很接近V O ，因此可以減少LDO的耗散功率和提高效率。

l線路要求成本低和方案簡單。

此時(shí)選用LDO是最適宜，最實(shí)用，最方便，最經(jīng)濟(jì)的。

在LDO的設(shè)計(jì)選型中，首先利用已知的輸入電壓V I ，需求的輸出電壓VO和輸出電流I O （max），可以計(jì)算最大功耗P D （max）：

P~D~（max）＝P~I~－P~O~                           6-1

                 ＝（V~I~－V~O~）×I~O~                    6-2

   P~I  ~：進(jìn)入LDO的功率。

   P~O ~：LDO輸出的功率。

P D （max）：線性穩(wěn)壓器件可以消耗的最大功率。

V~I ~：LDO的輸入電壓。

V~O ~：LDO的輸出電壓。

I~O ~：LDO的輸出電流。

注意：線性穩(wěn)壓器件的I Q （靜態(tài)電流）由于比IO小很多數(shù)量級(jí)常常被忽略。因此，我們假設(shè)I I ＝I O 。

可以利用P D （max）與相應(yīng)的線性穩(wěn)壓器件的器件資料進(jìn)行比較。如果器件資料中有功率耗散（power dissipation）表，使用P D （max）并交叉參考環(huán)境溫度，覆銅面積和氣流條件選擇相應(yīng)的封裝。如果器件中只提供了相應(yīng)封裝的θja ，利用下式計(jì)算θja ：

θja（max）＝（Tj－Ta）/ P D （max） 6-3

θja：熱阻, 結(jié)溫到環(huán)境溫度（℃/W）

Tj：結(jié)溫。

Ta：環(huán)境溫度。

如果P D （max）小于功率耗散表中的功率或器件資料中的θja小于上式計(jì)算的θja （max），則對(duì)應(yīng)封裝的散熱是可以接收的。否則，該封裝不能采納。而且，在閱讀器件資料時(shí)要將θja 或P D （max）與應(yīng)用中相應(yīng)的覆銅面積和氣流綜合考慮。

當(dāng)最初的線性穩(wěn)壓器件的熱量散耗不足時(shí)，最先考慮的是替換不同的封裝。一般可以采用比應(yīng)用所需電流更大輸出能力的線性穩(wěn)壓器件以滿足合適的熱量條件。

如果，沒有其它的封裝能夠滿足應(yīng)用。下面就要考慮加散熱片或替換電源的解決方案。當(dāng)考慮散熱片時(shí)，利用（5-3）式計(jì)算的θja 代入（6-4）式：

θsa ≤ θja（max）－θjc －θcs 6-4

θja：熱阻（結(jié)到環(huán)境）。（℃/W）

θjc：熱阻（結(jié)到封裝表面）。（℃/W）

θcs：熱阻（結(jié)到散熱片）。（℃/W）

θsa：熱阻（散熱片到環(huán)境）。（℃/W）

注意：θcs 是封裝表面與散熱片的熱量接口，無論是空氣，PCB/覆銅或其它類型的散熱片。

選擇具有合適的θsa 的散熱片還要考慮散熱片的形狀以適應(yīng)線性穩(wěn)壓器件的封裝。

線性穩(wěn)壓器件的壓差電壓常常被誤解。正如上面討論的，VI和VO之間的電壓差是通過線性穩(wěn)壓器后的壓降。對(duì)于固定的負(fù)載電流，線性穩(wěn)壓器的輸入與輸出的電壓降越小功率散耗就越低。壓差電壓是LDO技術(shù)指標(biāo)中定義的能夠穩(wěn)壓工作時(shí)VI和VO之間最小的差值又稱為VDO

6.2LDO的選型舉例

6.2.1LDO選型例子之一

給定TMS320C6201 DSP ，有下列的系統(tǒng)需要：

內(nèi)核電壓Vcore ：1.8V±3%（功率Pcore ＝ 1.0W時(shí)）

I/O電壓VIO ：3.3V±5%（功率Pio ＝ 0.2W時(shí)）

LDO輸入電壓Vi ：5.0V±5%

環(huán)境溫度 Ta ：50℃

找出滿足以上條件的雙輸出LDO為DSP供電。

我們首先要確定雙輸出LDO的最大總耗散功率：

P D （core）max＝（V~I ~－Vcore）×Icore

＝（1.05×Vi－0.97×Vcore）×（Pcore /（0.97×Vcore））

＝（5.25－1.75）×（1.0 / 1.75）

＝ 2.0（W）

P D （I/O）max ＝ （V I － VO （I/O））×I(I/O)

＝ （1.05×V~I~－0.95×V~IO~）×（P~IO~ /（0.95×V~IO~））

         ＝ （5.25－3.14）×（0.2/3.14）

＝ 0.134（W）

P D （max）＝P D （core）max＋P D （I/O）max

＝2.0＋0.134＝2.134（W）

下面確定某封裝的最大熱阻：

P D （max）＝（Tj（max）－Ta）/θja

θja ≦（Tj（max）－Ta）/P D （max）

大部分的LDO的數(shù)據(jù)資料中Tj（max）＝125 ℃

θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）

然后在公司的通用件庫里選擇合適的LDO型號(hào)。

6.2.2LDO選型例子之二

TPS76833有8腳SO封裝和20腳TSSOP封裝兩種。SO封裝對(duì)應(yīng)的熱阻θja＝172℃/W,TSSOP封裝對(duì)應(yīng)的熱阻θja＝32.6℃/W。試確定下列哪種封裝滿足下列工作條件：

Vi＝5.0V＋5%

Vo＝3.3V±2%

Io：0.95A

Ta＝50℃，自然通風(fēng)。

首先，確定最大耗散功率

P D （max）＝（V I －V O ）×Io

＝ （（1.05×V~I~）－（0.98×V~O~））×I~O~

      ＝（5.25－3.234）×0.95

      ＝1.915（W）

更據(jù)以上條件計(jì)算相應(yīng)的熱阻θja：

θja≦（Tj（max）－Ta）/Pd（max）

由TPS76833的數(shù)據(jù)資料可知，Tj（max）＝125℃。所以：

θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/W）

所以，應(yīng)該選擇20腳TSSOP封裝的TPS76833器件。

在LDO選型中，如果已選定的器件熱阻不能滿足，應(yīng)用的熱阻條件可以考慮增加散熱片或覆銅面積的方法。必要時(shí)可以考慮更改封裝類型。在初次設(shè)計(jì)選擇器件時(shí)要根據(jù)應(yīng)用條件，計(jì)算出最大熱阻。然后選擇相應(yīng)的器件，這樣可以保證設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用。

6.3LDO的電路應(yīng)用

LDO 的應(yīng)用電路十分方便簡單，工作時(shí)僅需要二個(gè)作輸入、輸出電壓退耦降噪的陶瓷電容器，見圖6.2。

圖6.2 LDO典型應(yīng)用

Vin 和Vout 的輸入和輸出濾波電容器，應(yīng)當(dāng)選用寬范圍的、滿足LDO等效串聯(lián)電阻(ESR)、低價(jià)陶瓷電容器，使LDO 在零到滿負(fù)荷的全部量程范圍內(nèi)穩(wěn)壓效果穩(wěn)定。

一些LDO 有一個(gè)Bypass 附加腳，由它連接一個(gè)小的電容器，可以進(jìn)一步

降低噪音。

電容器的選擇關(guān)系到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，電容器的電容值、電介質(zhì)材料

類型、物理尺寸、等效串聯(lián)電阻(ESR)等這些重要參數(shù)都是設(shè)計(jì)工程師所要考慮

的。

在LDO 使用電路的設(shè)計(jì)中，鉭電容是最優(yōu)選擇，因?yàn)樗腅SR值非常適合LDO輸出電容的ESR要求，不過鉭電容價(jià)格比較貴，體積相對(duì)也比較大。陶瓷電容器是很好的選擇，因?yàn)樘沾呻娙萜鳠o極性和具有低的ESR，典型值<100mΩ，許多新型的LDO內(nèi)部對(duì)電容的ESR有了補(bǔ)償，可以選用RSR很低的陶瓷電容來做輸出電容。如常用的貼片電容器X7R 電介質(zhì)是比較好的，但使用成本略高，X5R 電介質(zhì)較好，性能/價(jià)格比適宜，而Y5V 電介質(zhì)較差，但成本較低，一般很少選用。

LDO 在PCB 板上的工藝走線十分重要，當(dāng)工藝走線不良和靠近RF線時(shí)降噪性能會(huì)受影響。濾波電容器匯入地節(jié)點(diǎn)選擇不良時(shí)，由負(fù)載返回地的電流中，噪音和紋波都會(huì)增加。在通常的布線設(shè)計(jì)中常常遇到此類情況(圖6.3)。

圖 6.3 通常的LDO布線設(shè)計(jì)

如果將此布線線路優(yōu)化，則可在由負(fù)載返回地的電流中，噪音和紋波都降至最小。如圖6.4.

圖6.4 優(yōu)化后的布線設(shè)計(jì)

理想的PCB 板布線設(shè)計(jì)是接地點(diǎn)盡可能的粗短和走捷徑，走線一定要考慮各個(gè)器件間的干擾和輻射，器件的合理排列可有利于有效地減少各個(gè)器件間的相互干擾和輻射，如圖6.5 所示。

圖6.5 LDO布線圖

上圖中左面的布線中交流信號(hào)的回流路徑明顯要比右面的短，并且交流環(huán)路并沒有經(jīng)過地平面，這樣噪音和紋波會(huì)大大減小。

7.公司庫中一些常用LDO介紹

在公司通用器件庫里，有近50款LDO，基本涵蓋了輸出電壓從0.9V到6V的大部分LDO。根據(jù)公司物料技術(shù)經(jīng)理推薦，公司庫里L(fēng)DO品牌推薦遵循下面原則：

Max Iout < 1.5A，優(yōu)選NS、MICREL,TI；

Max Iout > 1.5A，當(dāng)壓差大于800MV時(shí)，優(yōu)選NS、Semtech、Sipex；

當(dāng)對(duì)壓差要求小于800MV時(shí)，優(yōu)選Micrel、Sipex、TI，Linear可做為備選。

下面簡要介紹幾款在公司大量應(yīng)用的LDO。

7.1.2930系列

2930系列是公司用量非常大的一款LDO產(chǎn)品，在公司有一萬多款單板都使用這系列的各型號(hào)LDO。主要生產(chǎn)廠家為MICREL公司和Sipex公司。

2930系列應(yīng)用于大電流輸出場合，很多時(shí)候可以替代DC-DC開關(guān)電源。主要有如下特點(diǎn)：

由于輸出電流很大，所以2930的封裝也比較大，并有大大的金屬散熱盤，可以直接焊接到PCB，或者加裝散熱片。

圖7.1 2930的封裝

2930的應(yīng)用電路很簡單，對(duì)于固定電壓輸出的只需外加一片輸出電容即可。

7.2.1117系列

1117系列作為一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，在公司2300多種單板中使用。它可以用在一些高效率，小封裝的低功耗設(shè)計(jì)中。1117有很低的靜態(tài)電流，在滿負(fù)載時(shí)其低壓差僅為1.1V。當(dāng)輸出電流減少時(shí)，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。1117可調(diào)節(jié)，以選擇1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的輸出電壓。

1117為提供多種3引腳封裝：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263。一個(gè)10uF的輸出電容可有效地保證穩(wěn)定性，然而在大多數(shù)應(yīng)用中，僅需一個(gè)更小的2.2uF電容。

1117的生產(chǎn)廠家有NS的LM1117和SIPEX的SPX1117，它具有如下特性：

l0.8A穩(wěn)定輸出電流；

l1A穩(wěn)定峰值電流；

l3端可調(diào)節(jié)(電壓可選：1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V)；

l低靜態(tài)電流；

l0.8A時(shí)低壓差為1.1V；

l0.1%線性調(diào)整率/0.2%負(fù)載調(diào)整率；

l2.2uF陶瓷電容即可保持穩(wěn)定；

l過流及溫度保護(hù)；

l多封裝：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263(現(xiàn)已提供無鉛封裝)。

1117內(nèi)置有ESR穩(wěn)定電阻，因此外接電容可以選用陶瓷電容，這樣很適宜低成本和小型化的應(yīng)用。

1117有固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出。具體電路圖如下：

圖7.2 固定輸出的1117

圖 7.3 可變輸出的1117