低壓降（LDO）穩(wěn)壓器如何保證穩(wěn)定電源電壓詳解

穩(wěn)壓器在想要從不穩(wěn)定或可變的電源中獲得穩(wěn)定電源電壓的應(yīng)用至關(guān)重要。這類電源包括逐漸放電式的電池或整流后的交流電壓等。

能夠在電源輸入和輸出端之間保持低壓差的線性穩(wěn)壓器通常稱為低壓降（LDO）穩(wěn)壓器。其基本特點(diǎn)是無論輸出電流、輸入電壓、熱漂移或工作壽命（老化）如何變化，都能保持恒定的輸出電壓。這些是理想條件，但現(xiàn)實(shí)世界中的情況卻有些不同。由于 LDO 輸出電壓并非絕對(duì)穩(wěn)定，因此主要會(huì)影響以下操作功能：

A）由于有限的控制回路速度，負(fù)載電流的快速變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的變化。有時(shí)內(nèi)部調(diào)節(jié)回路無法對(duì)電流的快速變化（由于時(shí)間延遲）作出反應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致通常約為幾十毫伏（mV）的下沖/過沖。

B）輸入電壓的快速變化（通常是由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波引起的）無法通過控制回路完全過濾，于是輸入電壓的變化會(huì)一定程度地反映在輸出電壓中，該參數(shù)稱為電源抑制比（PSRR），且通常是頻變參數(shù)。一般而言，PSRR 絕對(duì)值越高，從輸入到輸出的傳輸干擾信號(hào)就越少。通常情況下，受到干擾的輸入電壓會(huì)以 mV 或更低的單位級(jí)別傳輸至輸出端。相似地，輸入電壓的快速變化（即“線路瞬態(tài)響應(yīng)”）可發(fā)生于 LDO 輸出端。

C）半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自身會(huì)產(chǎn)生固有的噪聲，主要是由自由原子與基礎(chǔ)材料晶體結(jié)構(gòu)碰撞而引起。由于固有噪聲是一種半導(dǎo)體中與電流傳導(dǎo)原理相關(guān)的物理現(xiàn)象，因此可以通過一些技術(shù)來抑制，但是不可能將其徹底去除。現(xiàn)代 LDO 的輸出噪聲可以達(dá)到數(shù)以百計(jì)的微伏（uV）甚至更小，但是頂級(jí) LDO 產(chǎn)生的噪聲就會(huì)達(dá)到微伏（uV）單位。

D）其他影響還包括輸入電壓的一個(gè)緩慢變化及其對(duì)線路調(diào)整率的影響、負(fù)載電流的一個(gè)緩慢變化及其對(duì)負(fù)載調(diào)整率、導(dǎo)熱系數(shù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。

在現(xiàn)實(shí)世界中，必須綜合考量所有這些影響及其作用，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定和精確。因此，有必要仔細(xì)考量上述的情況可能關(guān)乎一個(gè)特定應(yīng)用。

如何獲得穩(wěn)定電源電壓，光靠電源線可以嗎？

當(dāng)采用降壓型穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器電源時(shí)，一般是將電壓調(diào)節(jié)為設(shè)定值來為負(fù)載供電。在一些應(yīng)用中 (例如，實(shí)驗(yàn)室電源或需采用較長(zhǎng)電纜連接各種元件的電子系統(tǒng))，由于互連線上存在各種電壓降，因此無法確保在所需位置點(diǎn)始終提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓。控制精度取決于許多參數(shù)。

一個(gè)是負(fù)載需要連續(xù)恒定電流時(shí)的直流電壓精度。另一個(gè)是生成電壓的交流精度，這取決于生成的電壓如何隨負(fù)載瞬變而變化。

影響直流電壓精度的因素包括所需的基準(zhǔn)電壓 (可能是一個(gè)電阻分壓器)、誤差放大器的行為以及電源的一些其他影響因素。影響交流電壓精度的關(guān)鍵因素包括所選的功率等級(jí)、后備電容以及控制環(huán)路的架構(gòu)與設(shè)計(jì)。

然而，除了所有這些會(huì)影響生成的電源電壓精度的因素以外，還必須考慮其他影響。如果電源與所需供電的負(fù)載空間分離，則在穩(wěn)壓電壓和需要電能的位置之間將存在電壓降。該電壓降取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點(diǎn)的電纜或電路板上的較長(zhǎng)走線。

圖4顯示電源和負(fù)載之間存在電阻。可以通過略微提高電源生成的電壓，來補(bǔ)償該電阻上的電壓損耗。不幸的是，線路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負(fù)載電流，即流過線路的電流。相較于低電流，高電流會(huì)導(dǎo)致更高的電壓降。因此，負(fù)載由精度相當(dāng)?shù)偷恼{(diào)節(jié)電壓供電，而調(diào)節(jié)電壓取決于線路電阻和相應(yīng)的電流。

對(duì)于這個(gè)問題的解決方案如下：采用開爾文檢測(cè)線測(cè)量電子負(fù)載側(cè)的電壓。在圖4中，這些額外的線路顯示為紅色。然后將這些測(cè)量值整合到電源側(cè)的電源電壓控制中。

這種方式很有效，但缺點(diǎn)是需要額外的檢測(cè)引線。由于無需承載高電流，這類引線的直徑通常非常小。然而，在連接電纜中設(shè)置測(cè)量線以獲得更高的電流會(huì)帶來額外的工作量和更高的成本。

無需額外的一對(duì)檢測(cè)引線，也可以對(duì)電源和負(fù)載之間連接線上的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于一些電纜布線復(fù)雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測(cè)試引線的應(yīng)用而言，這一點(diǎn)特別有意義。

第二種方案是使用LT6110 這類專用線路壓降補(bǔ)償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側(cè)，并測(cè)量進(jìn)入連接線之前的電流。然后根據(jù)測(cè)得的電流來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，從而能夠非常精確地調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)電壓，而不用考慮負(fù)載電流。

圖5.利用LT6110調(diào)節(jié)電源輸出電壓，以補(bǔ)償連接線上的電壓降

采用 LT6110 這類元件，就可以根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載電流來調(diào)節(jié)電源電壓；不過，進(jìn)行這種調(diào)節(jié)需要了解線路電阻相關(guān)信息。大多數(shù)應(yīng)用都會(huì)提供此信息。如果在器件的使用壽命期間，將連接線更換成更長(zhǎng)或更短的連接線，則還必須對(duì)采用 LT6110 實(shí)現(xiàn)的電壓補(bǔ)償進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

如果在器件工作期間線路電阻可能會(huì)發(fā)生變化，可使用LT4180 這類元件，在負(fù)載側(cè)具有輸入電容時(shí)，通過交流信號(hào)對(duì)連接線電阻進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)，從而為負(fù)載端提供高精度電壓。

圖6.使用LT4180對(duì)線路進(jìn)行虛擬遠(yuǎn)程測(cè)量

圖6顯示了一個(gè)采用 LT4180 的應(yīng)用，其中傳輸線路的電阻未知。線路輸入電壓根據(jù)相應(yīng)的線路電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用 LT4180，無需開爾文檢測(cè)線路，只需逐步改變線路電流并測(cè)量相應(yīng)的電壓變化即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。利用測(cè)量結(jié)果確定未知線路中的電壓損耗。根據(jù)電壓損耗信息實(shí)現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的最佳調(diào)節(jié)。

只要負(fù)載側(cè)的節(jié)點(diǎn)具有低交流阻抗，這種測(cè)量方式就很有效。在許多應(yīng)用中都有效，因?yàn)殚L(zhǎng)連接線之后的負(fù)載需要一定量的能量存儲(chǔ)。由于阻抗低，可以對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過測(cè)量連接線前側(cè)的電壓來確定線路電阻。
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