本文將介紹線性穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)中的基本特性與注意事項(xiàng)。除輸入輸出電壓差、瞬態(tài)響應(yīng)與紋波抑制比之間的關(guān)聯(lián)性外，還會詳細(xì)闡述輸出和輸入電容器的選型與布局要點(diǎn)。另外，還會通過浮動工作狀態(tài)下如何抑制紋波電壓升高、以及過電流保護(hù)的工作特性等主題，為構(gòu)建穩(wěn)定的電源電路提供實(shí)用建議。

線性穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差與瞬態(tài)響應(yīng)及紋波抑制比的關(guān)系

本主題涉及到的規(guī)格值和特性曲線雖然是以BA1117為例進(jìn)行解說的，但原則上適用于所有線性穩(wěn)壓器IC。線性穩(wěn)壓器IC若無法確保規(guī)定的壓降電壓(輸入輸出之間的電壓差)，就無法正常工作。輸入電壓的最小值，需從技術(shù)規(guī)格書的“壓降電壓 vs 輸出電流”曲線圖中讀取所用負(fù)載電流下的壓降電壓，再與輸出電壓相加得出。示例中使用的BA1117，當(dāng)其輸出電流為0.5A時(shí)，可讀取到壓降電壓約為1.1V(典型值，Ta=25℃)，因此，若輸出為5V，則最小輸入電壓應(yīng)為6.1V。

在這樣微小的輸入壓差條件下，雖然直流工作狀態(tài)得以維持，但其他控制能力將無法充分發(fā)揮出來。例如，當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動時(shí)，若輸入輸出電壓差較小，將無法在短時(shí)間內(nèi)從輸入端向輸出端提供大電流，這意味著負(fù)載響應(yīng)速度會變慢。另外，響應(yīng)速度慢也會表現(xiàn)為紋波抑制比(PSRR)特性變差。這一點(diǎn)通過這些規(guī)格值的規(guī)定條件、輸入輸出電壓值及相關(guān)圖表可以看出來。下面舉一個(gè)例子。通過示例可以看出，在5V輸出時(shí)，加上1.2V壓降電壓后的6.2V輸入時(shí)的特性與加上2V以上壓降電壓后的7V以上輸入時(shí)的特性存在明顯差異。

在注重效率的情況下，應(yīng)盡量減小輸入輸出電壓差，但可能導(dǎo)致無法發(fā)揮出預(yù)期特性。在本示例中，我們將基于獲得預(yù)期負(fù)載響應(yīng)性能和PSRR所需的能力來探討輸入電壓，并尋求效率與各項(xiàng)特性之間的平衡點(diǎn)。

線性穩(wěn)壓器輸出電容相關(guān)的注意事項(xiàng)

輸出電容器對于維持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性而言至關(guān)重要。下面以BA1117為例列出了輸出電容器相關(guān)的注意事項(xiàng)。大多數(shù)注意事項(xiàng)并非僅限于BA1117，而是適用于所有線性穩(wěn)壓器。

在實(shí)裝電路板上的配置

輸出電容器COUT用來使反饋環(huán)路更穩(wěn)定，應(yīng)盡可能靠近IC的VOUT引腳進(jìn)行連接，并同樣連接至鄰近的接地線。這一點(diǎn)也適用于BA1117以外的其他型號產(chǎn)品。

電容量

BA1117的輸出電容器的電容量需在22μF以上。電容量過小可能會導(dǎo)致振蕩。電容量較大時(shí)，反饋環(huán)路的穩(wěn)定性和輸出瞬態(tài)響應(yīng)特性會得到提升。不同線性穩(wěn)壓器IC的最小電容量可能有所不同，具體請參照所用IC的技術(shù)規(guī)格書。

電容量最大值并無限制，但需注意以下事項(xiàng)：增大電容量會使電源開啟時(shí)輸出電容的充電時(shí)間(達(dá)到設(shè)定電壓所需的時(shí)間)以及關(guān)閉時(shí)的放電時(shí)間(降至約等于接地電位所需的時(shí)間)延長。需要確認(rèn)這些時(shí)間是否滿足供電設(shè)備及電路的電源相關(guān)參數(shù)要求。

另外，當(dāng)關(guān)閉輸入電源時(shí)，若出現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓反相(輸出電壓高于輸入電壓)的情況，可能導(dǎo)致大電流反向流入IC內(nèi)部，進(jìn)而造成器件損壞。在這種種情況下，可通過增設(shè)防逆流旁路二極管進(jìn)行規(guī)避(見上圖)。所選用的二極管必須在比IC輸出晶體管因輸入輸出電壓反相而導(dǎo)通的電壓更低的電壓下導(dǎo)通，以旁路反向電流，因此需要選用具備有效正向電壓VF的二極管。部分IC具備這種保護(hù)功能，具體需要確認(rèn)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)格書。

ESR(等效串聯(lián)電阻)

BA1117輸出電容的ESR需控制在5Ω以下。ESR值過大會導(dǎo)致反饋環(huán)路不穩(wěn)定，從而引發(fā)振蕩問題。另外，該ESR值是基于IC單體及電阻負(fù)載的評估結(jié)果而獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，由于會受到電路板走線阻抗、輸入端電源阻抗及負(fù)載阻抗的影響而發(fā)生變化，因此務(wù)必在實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下充分確認(rèn)是否有振蕩現(xiàn)象。

通常，不僅輸出電容的ESR過大時(shí)會導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定并引發(fā)振蕩，ESR過小時(shí)也同樣會引發(fā)此類問題。ESR的上限和下限因IC而異，具體需要確認(rèn)各產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書。

鋁電解電容器

輸出電容器可采用鋁電解電容器。鋁電解電容器雖然價(jià)格低廉且能獲得較大容量，但需注意部分產(chǎn)品在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)容量急劇減少及ESR上升的現(xiàn)象。

陶瓷電容器

使用陶瓷電容器作為輸出電容時(shí)，推薦選用溫度特性優(yōu)異的X5R和X7R。Z5U、Y5V、F的容量變化較大，請勿使用。請注意，由于容差、溫度特性和DC偏壓特性會導(dǎo)致電容值下降，所以需要確保在使用條件下所選電容器的容值不低于技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的最小值。另外，DC偏壓特性還取決于外殼尺寸，隨著尺寸的減小，電容量下降幅度呈增大趨勢。

輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)輸出負(fù)載電流急劇波動時(shí)，輸出電壓可能出現(xiàn)瞬時(shí)波動現(xiàn)象。若欲減小該電壓波動，請?jiān)龃筝敵鲭娙莸碾娙萘俊Ｈ欢粼黾虞敵鲭娙莸娜萘浚瑥妮斎攵讼蜉敵鲭娙萜鞒潆姷碾姾闪繉黾樱虼水?dāng)輸入端電源的負(fù)載響應(yīng)特性較差時(shí)，輸入電壓同樣可能出現(xiàn)瞬時(shí)跌落現(xiàn)象。要想防止這種現(xiàn)象，需將輸入電容器的電容量提升至與輸出電容器的電容量相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

線性穩(wěn)壓器輸入電容相關(guān)的的注意事項(xiàng)

輸入電容器在電路工作時(shí)用來抑制輸入電源的電位波動，以使線性穩(wěn)壓器IC的輸入保持穩(wěn)定。尤其在輸入布線(電路板薄膜布線)較長或輸入電源阻抗較高時(shí)，可有效確保LDO輸入電源的穩(wěn)定性。

下面以BA1117為例，介紹輸入電容相關(guān)的注意事項(xiàng)。與輸出電容器一樣，大多數(shù)注意事項(xiàng)并非僅限于BA1117，而是適用于所有的線性穩(wěn)壓器。

在實(shí)裝電路板上的配置

輸入電容器CIN應(yīng)盡可能靠近VIN引腳進(jìn)行連接，并同樣連接至鄰近的接地線。請將輸入電容器配置在距離IC 1cm以內(nèi)的范圍內(nèi)。如前所述，此舉旨在降低輸入電源阻抗，并盡可能消除電路板寄生分量的影響。

電容量

以本示例中的BA1117為例，其采用的是10uF的輸入電容。當(dāng)輸出電流發(fā)生急劇變化時(shí)，可通過增大輸出電容的電容量來抑制電壓瞬時(shí)波動。但若輸入電源端的瞬時(shí)電流供給能力不足，則可能導(dǎo)致輸入電壓下降。要想防止這種現(xiàn)象，需將輸入電容器的電容量提升至與輸出電容器的電容量相當(dāng)?shù)某潭取ｊP(guān)于大容量(Bulk)電容器，鋁電解電容器需與陶瓷電容器并聯(lián)連接。

ESR(等效串聯(lián)電阻)

輸入電容器的主要目的是降低輸入電源阻抗，因此要求其ESR(等效串聯(lián)電阻)越小越好。如果流向IC的輸入電流無突變情況，也可選用其他類型的電容器。

防止浮動工作線性穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓增加

本節(jié)是有關(guān)配備ADJ引腳的浮動工作線性穩(wěn)壓器的內(nèi)容。隨著輸出電壓升高，輸入紋波會被放大，從而導(dǎo)致IC的紋波抑制比惡化。作為對策，可在ADJ引腳與接地之間添加電容器CADJ，以抑制紋波被放大并防止紋波抑制比惡化。

為防止紋波抑制比惡化，如下面的公式所示，在所有紋波頻率下，CADJ的阻抗應(yīng)低于R1。

fRIPPLE ：紋波頻率[Hz]

下圖是BA1117的CADJ與紋波抑制比的變化關(guān)系曲線，從中可以看到CADJ的效果。

線性穩(wěn)壓器的負(fù)載與啟動相關(guān)的注意事項(xiàng)

BA1117的過電流保護(hù)(OCP)采用的是折返(下垂)式特性設(shè)計(jì)，可支持絕大多數(shù)負(fù)載的啟動。但需要注意的是，在啟動時(shí)有大電流(浪涌電流)流過的電路中，可能無法正常啟動。這是由于負(fù)載電流超過IC的輸出(供電)電流時(shí)，輸出電壓無法上升，導(dǎo)致IC無法啟動。需注意的負(fù)載包括電機(jī)、大容量電容器、恒流負(fù)載等。

下圖是BA1117的輸出電流IO與輸出電壓VOUT(設(shè)定為1.5V時(shí)的示例)之間的關(guān)系曲線圖。BA1117的輸出電流規(guī)格為最小1.0A、標(biāo)準(zhǔn)1.7A。該曲線呈現(xiàn)出折返(下垂)式過電流保護(hù)特性，即在保持輸出電流基本恒定的同時(shí)，輸出電壓會下降。對于這種折返(下垂)式的情況而言，即便電流限制功能生效，仍能持續(xù)輸出接近限流值的電流。因此，通常即使在前述的負(fù)載條件下，也能實(shí)現(xiàn)啟動。

部分線性穩(wěn)壓器采用的是折返式(Foldback)特性的過電流保護(hù)機(jī)制。折返式(Foldback)特性會同時(shí)降低輸出電壓和輸出電流，因此在啟動時(shí)若產(chǎn)生浪涌電流導(dǎo)致保護(hù)機(jī)制啟動，就會使輸出電壓固定在無法提升的狀態(tài)。尤其是像前述的負(fù)載情況，需要確認(rèn)啟動時(shí)是否存在問題。

過電流保護(hù)的類型包括折返(下垂)特性、“フ”字形特性、“ヘ”字形特性以及這些特性的組合特性。由于每種特性各具特色，因此需要在充分理解其特性的基礎(chǔ)上，來選用配備過電流保護(hù)功能且符合電路規(guī)格要求的線性穩(wěn)壓器IC。