如何获得稳定电源电压及低压降稳压器稳定电源电压详解

低压降（LDO）稳压器如何保证稳定电源电压详解

稳压(ya)器在想(xiang)要(yao)(yao)从不稳定(ding)(ding)或可变的电源中获得稳定(ding)(ding)电源电压(ya)的应用至关重要(yao)(yao)。这类电源包括(kuo)逐渐(jian)放电式的电池或整流后的交流电压(ya)等。

能(neng)够(gou)在电源输(shu)入和(he)输(shu)出端之(zhi)间(jian)保持低(di)压(ya)(ya)差的(de)线性稳压(ya)(ya)器(qi)通常称为(wei)低(di)压(ya)(ya)降(jiang)（LDO）稳压(ya)(ya)器(qi)。其基本特点是(shi)无论输(shu)出电流(liu)、输(shu)入电压(ya)(ya)、热(re)漂移或工作(zuo)寿(shou)命（老化(hua)）如何变化(hua)，都能(neng)保持恒定的(de)输(shu)出电压(ya)(ya)。这些是(shi)理想(xiang)条件，但(dan)现实世界中的(de)情(qing)况却有些不(bu)同。由于 LDO 输(shu)出电压(ya)(ya)并非(fei)绝(jue)对稳定，因此(ci)主要会影响以下(xia)操作(zuo)功能(neng)：

A）由于有(you)限的(de)控制回(hui)路速度，负载电流(liu)的(de)快速变化(hua)会导致(zhi)输出(chu)电压的(de)变化(hua)。有(you)时内部调节(jie)回(hui)路无法对电流(liu)的(de)快速变化(hua)（由于时间延(yan)迟）作出(chu)反应，就会导致(zhi)通常约(yue)为几(ji)十(shi)毫伏（mV）的(de)下冲/过冲。

B）输入电(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)(de)快速变化(hua)（通(tong)常是(shi)由 DC-DC 转换器的(de)(de)(de)输出电(dian)(dian)(dian)压纹波引(yin)起的(de)(de)(de)）无(wu)法通(tong)过(guo)控(kong)制回路(lu)完全过(guo)滤，于是(shi)输入电(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)(de)变化(hua)会一定程度地反映在输出电(dian)(dian)(dian)压中(zhong)，该参数称(cheng)为电(dian)(dian)(dian)源抑制比(bi)（PSRR），且通(tong)常是(shi)频变参数。一般而言，PSRR 绝对(dui)值越(yue)高，从输入到(dao)输出的(de)(de)(de)传输干扰信号就越(yue)少。通(tong)常情况下，受到(dao)干扰的(de)(de)(de)输入电(dian)(dian)(dian)压会以(yi) mV 或(huo)更低的(de)(de)(de)单位级别(bie)传输至输出端。相似地，输入电(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)(de)快速变化(hua)（即“线路(lu)瞬态响应”）可(ke)发(fa)生于 LDO 输出端。

C）半导(dao)体(ti)(ti)结构(gou)自(zi)(zi)身会产(chan)生固有(you)的噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)，主要是由自(zi)(zi)由原(yuan)(yuan)子与基(ji)础材(cai)料晶体(ti)(ti)结构(gou)碰撞而引起。由于固有(you)噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)是一(yi)种半导(dao)体(ti)(ti)中与电流传导(dao)原(yuan)(yuan)理相关的物理现象，因此(ci)可(ke)以通过一(yi)些技术来抑制，但是不可(ke)能将其彻底(di)去除。现代 LDO 的输出噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)可(ke)以达到数以百(bai)计的微伏（uV）甚至更小，但是顶级(ji) LDO 产(chan)生的噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)就会达到微伏（uV）单位。

D）其(qi)他影响(xiang)还包括输入电(dian)压的(de)一(yi)(yi)个缓慢(man)变(bian)化及(ji)(ji)其(qi)对(dui)线(xian)路调(diao)整(zheng)率的(de)影响(xiang)、负载电(dian)流(liu)的(de)一(yi)(yi)个缓慢(man)变(bian)化及(ji)(ji)其(qi)对(dui)负载调(diao)整(zheng)率、导(dao)热(re)系数和(he)长期稳定(ding)性的(de)影响(xiang)。

在现实世界中(zhong)，必(bi)(bi)须综合考量所有这(zhei)些(xie)影响(xiang)及其作用，以(yi)实现输(shu)出(chu)电压的稳定和精确。因此，有必(bi)(bi)要仔细考量上(shang)述的情况可(ke)能关乎一个(ge)特定应(ying)用。

如何获得稳定电源电压，光靠电源线可以吗？

当采(cai)用(yong)降压(ya)(ya)(ya)型稳压(ya)(ya)(ya)器或(huo)线(xian)性(xing)稳压(ya)(ya)(ya)器电(dian)(dian)(dian)源时，一般是将电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)调节(jie)为设定值(zhi)来为负载供电(dian)(dian)(dian)。在一些(xie)应(ying)用(yong)中 (例如，实(shi)验(yan)室电(dian)(dian)(dian)源或(huo)需采(cai)用(yong)较长电(dian)(dian)(dian)缆(lan)连接各种(zhong)元件的电(dian)(dian)(dian)子(zi)系统)，由(you)于(yu)互(hu)连线(xian)上存在各种(zhong)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)降，因此无(wu)法确(que)保在所需位置点始终提(ti)供准确(que)的稳压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。控制精度(du)取决于(yu)许多参数。

一(yi)个是负(fu)载需要连续恒定电流(liu)时的直流(liu)电压(ya)精度。另一(yi)个是生(sheng)成电压(ya)的交(jiao)流(liu)精度，这(zhei)取(qu)决于生(sheng)成的电压(ya)如何随(sui)负(fu)载瞬变而变化。

影(ying)响直(zhi)流电(dian)(dian)压(ya)精(jing)度(du)的(de)(de)(de)因(yin)素(su)包括所需的(de)(de)(de)基准(zhun)电(dian)(dian)压(ya) (可(ke)能是一个电(dian)(dian)阻分压(ya)器(qi))、误差放大(da)器(qi)的(de)(de)(de)行为以及(ji)电(dian)(dian)源的(de)(de)(de)一些其他影(ying)响因(yin)素(su)。影(ying)响交流电(dian)(dian)压(ya)精(jing)度(du)的(de)(de)(de)关键因(yin)素(su)包括所选的(de)(de)(de)功率等级、后备电(dian)(dian)容以及(ji)控制环路的(de)(de)(de)架构与设计。

然而，除了所有这些(xie)会影(ying)响生(sheng)成的(de)(de)电(dian)源电(dian)压精度的(de)(de)因(yin)素以外，还(hai)必须考虑(lv)其他影(ying)响。如果电(dian)源与所需供电(dian)的(de)(de)负(fu)载(zai)空间(jian)分(fen)离，则在稳压电(dian)压和(he)需要电(dian)能(neng)的(de)(de)位置之(zhi)间(jian)将存在电(dian)压降(jiang)。该电(dian)压降(jiang)取决于(yu)稳压器(qi)和(he)负(fu)载(zai)之(zhi)间(jian)的(de)(de)电(dian)阻。它可能(neng)是带插头触点(dian)的(de)(de)电(dian)缆或电(dian)路板上的(de)(de)较长(zhang)走(zou)线。

图4显示电(dian)(dian)(dian)(dian)源和负(fu)载之间存在电(dian)(dian)(dian)(dian)阻。可以通(tong)过略微(wei)提高电(dian)(dian)(dian)(dian)源生(sheng)成的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，来补偿该电(dian)(dian)(dian)(dian)阻上(shang)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)损(sun)耗(hao)。不幸(xing)的(de)(de)是(shi)，线路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻上(shang)产生(sheng)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)降取(qu)决于(yu)(yu)负(fu)载电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，即流(liu)过线路(lu)(lu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。相较于(yu)(yu)低电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，高电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)会导致(zhi)更高的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)降。因此，负(fu)载由精度相当低的(de)(de)调(diao)节电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)供电(dian)(dian)(dian)(dian)，而调(diao)节电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)取(qu)决于(yu)(yu)线路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻和相应的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。

对于这个(ge)问题的解(jie)决方案如下(xia)：采用开尔文(wen)检测线测量电(dian)子负载侧(ce)的电(dian)压(ya)。在图4中(zhong)，这些(xie)额外(wai)的线路显(xian)示为红色。然后将这些(xie)测量值整合到电(dian)源侧(ce)的电(dian)源电(dian)压(ya)控制中(zhong)。

这种方式(shi)很有效(xiao)，但缺(que)点(dian)是需要(yao)额外(wai)的(de)(de)检(jian)测引线(xian)(xian)。由于无需承载高(gao)电(dian)流，这类(lei)引线(xian)(xian)的(de)(de)直径通常非常小。然(ran)而，在连接电(dian)缆中(zhong)设置测量(liang)线(xian)(xian)以获得更高(gao)的(de)(de)电(dian)流会带来额外(wai)的(de)(de)工作量(liang)和更高(gao)的(de)(de)成(cheng)本。

无需额外的(de)一对检测(ce)引线(xian)，也可以(yi)对电(dian)(dian)源和负载之间连(lian)接线(xian)上的(de)电(dian)(dian)压降进行补偿(chang)。对于一些电(dian)(dian)缆布(bu)线(xian)复杂、成本(ben)高(gao)昂(ang)并(bing)且所(suo)产生的(de) EMC 干扰很容易耦合到电(dian)(dian)压测(ce)试引线(xian)的(de)应用而言，这一点特别有意义。

第二(er)种方案是使用LT6110 这类专(zhuan)用线路压(ya)(ya)降(jiang)补(bu)偿 IC。将(jiang)此(ci) IC 插入电(dian)(dian)压(ya)(ya)发生侧(ce)，并(bing)测(ce)量(liang)进入连接(jie)线之前的(de)电(dian)(dian)流(liu)。然后(hou)根据测(ce)得(de)的(de)电(dian)(dian)流(liu)来调节电(dian)(dian)源的(de)输出电(dian)(dian)压(ya)(ya)，从而(er)能够非常精确地调节负(fu)载(zai)侧(ce)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，而(er)不用考虑负(fu)载(zai)电(dian)(dian)流(liu)。

图5.利用LT6110调节(jie)电(dian)源输出电(dian)压，以补偿连接线上的电(dian)压降

采用(yong)(yong)(yong) LT6110 这类元(yuan)件(jian)，就可(ke)以(yi)根(gen)据相应的负载(zai)电(dian)流来调节(jie)电(dian)源(yuan)电(dian)压；不过，进行(xing)这种调节(jie)需要了解线路(lu)电(dian)阻相关(guan)信息(xi)。大多数应用(yong)(yong)(yong)都会(hui)提供此(ci)信息(xi)。如果在器件(jian)的使用(yong)(yong)(yong)寿命(ming)期间，将连接(jie)线更换成更长或更短的连接(jie)线，则还必须对采用(yong)(yong)(yong) LT6110 实现的电(dian)压补(bu)偿进行(xing)相应调整。

如果在器(qi)件工作期间(jian)线(xian)路电阻(zu)可(ke)能会发生变化(hua)，可(ke)使用(yong)LT4180 这类元件，在负载(zai)侧具有输(shu)入电容(rong)时，通过交(jiao)流信号对连接线(xian)电阻(zu)进行虚拟预(yu)测(ce)，从而为(wei)负载(zai)端提供高(gao)精度电压(ya)。

图6.使用LT4180对线路进行(xing)虚拟远程测量

图6显(xian)示了一个采用 LT4180 的(de)(de)(de)应(ying)用，其中(zhong)传输(shu)(shu)线(xian)路(lu)的(de)(de)(de)电阻(zu)未(wei)知(zhi)。线(xian)路(lu)输(shu)(shu)入电压(ya)根据(ju)相(xiang)应(ying)的(de)(de)(de)线(xian)路(lu)电阻(zu)进(jin)行调节(jie)。使用 LT4180，无需开尔文检测(ce)线(xian)路(lu)，只(zhi)需逐步改(gai)变线(xian)路(lu)电流并测(ce)量(liang)相(xiang)应(ying)的(de)(de)(de)电压(ya)变化(hua)即可实现(xian)(xian)电压(ya)调节(jie)。利用测(ce)量(liang)结(jie)果确定未(wei)知(zhi)线(xian)路(lu)中(zhong)的(de)(de)(de)电压(ya)损耗(hao)。根据(ju)电压(ya)损耗(hao)信息实现(xian)(xian) DC/DC 转(zhuan)换器输(shu)(shu)出(chu)电压(ya)的(de)(de)(de)最佳(jia)调节(jie)。

只(zhi)要负载侧的(de)(de)节点具有低交流阻抗(kang)，这(zhei)种测量方式就很有效(xiao)。在许多应(ying)用(yong)中都(dou)有效(xiao)，因为长连(lian)接(jie)线之后的(de)(de)负载需要一定量的(de)(de)能(neng)量存储。由于阻抗(kang)低，可以对 DC/DC 转换(huan)器的(de)(de)输出电流进行调节，并(bing)通过测量连(lian)接(jie)线前侧的(de)(de)电压来确定线路电阻。

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