线性电源(LDO)原理分析

本文详细解析了线性稳压器(LDO)和开关电源(DC-DC)的工作原理及特性,对比了两者在降压和升压能力上的区别。深入探讨了LDO的内部电路构成,包括分压取样、基准电压、误差放大和调整电路,并解释了其电压负反馈机制。同时,文章还介绍了LDO的主要性能参数,如输入电压范围、输出电压、最大输出电流、线性调整率、负载调整率、电源纹波抑制比、瞬态响应、静态电流和最大耗散功率。

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一、线性稳压器(LDO)是一种低压差线性稳压器,这是相对于传统的线性稳压器而言的,传统的线性稳压器都要求输入电压比输出电压至少高出2V~3V,否则就不能工作;而LDO则只要求200mV左右即可。

线性电源(LDO)的管子是工作在放大区的,处于放大状态。线性电源LDO只能降压,不能升压

开关电源(DC-DC)的管子是工作在饱和区截止区的,处于开关状态。开关电源(DC-DC)既可以升压也可以降压

LDO的功率损耗主要消耗再开关管上,为开关管的最大耗散功率损耗,所以效率极低。


二、线性稳压器(LDO)工作原理:

线性稳压器(LDO)内部电路一般包括:分压取样电路基准电压误差放大电路晶体管(MOS管)调整电路四部分。

LDO都有电压负反馈回路,以保持输出电压的稳定,而且误差放大电路采用分离元器件的较多,一般很少使用集成运放。


三、基准电压电路与保护电路:

(1)、基准电压电路:串联型稳压电路输出电压的稳定性取决于基准电压的稳定性,因而通常要求基准电压电路具有温度系数为零输出阻抗小噪声低的特点。如下图所示,稳压管具有正温度系数,T2三极管具有负温度系数,因此该电路具有温度补偿作用,当温度发生变化时,U_{Z}U_{BE}的变化相反,互相抵消,使U_{REF}变化很小。另外该电路采用射极输出电路,引入了电压负反馈,进一步提高了U_{REF}的稳定性,使输出阻抗更小

(2)、保护电路:过流保护调整管安全工作区保护芯片过热保护

①、过流保护:凡是在过流时使调整管发射极电流限制在某一数值的电路,称为限流型过流保护电路。凡是在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路,称为截流型过流保护电路

②、调整管安全工作区保护:既可以使调整管既不因过电流而烧坏,又不因过电压而击穿,是由过电流保护过电压保护两种电路组合而成,最终使调整管不超过其最大耗散功率

③、芯片过热保护:芯片过热损坏的重要原因之一就是通过长期过大电流而引起结温超过允许值,在集成稳压器中,调整管的结温决定芯片的温度。


四、集成稳压器(LDO)主要性能参数:

(1)、输入电压范围:稳压器输入端可以输入的电压范围。

(2)、输出电压:稳压器输出端的输出电压值。

(3)、最大输出电流:稳压器输出端的最大输出电流值。

(4)、线性调整率:稳压器输入变化对输出的影响,即在负载一定的情况下,输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。

(5)、负载调整率:是指在给定负载变化下的输出电压的变化,这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。

(6)、电源纹波抑制比(PSRR):表示稳压器抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力。线性调整率只有在直流电时才需要考虑,但是电源抑制比必须在宽频率范围上考虑。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的参量,PSRR越大,输出信号受到电源的影响越小

(7)、瞬态响应:表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化,它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力,也起到了高频旁路的作用。

(8)、静态电流:又叫接地电流,是通路元件的偏流和驱动电流的组合,通常保持尽可能低的水平。静态电流越大,稳压器的效率越低。

(9)、最大耗散功率:为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏,LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率,否则可能损坏LDO芯片。

注:LDO的功率耗散主要包括两部分:漏电流功耗供电电流功耗(管压降功耗)

 

### LDO电路原理图设计 LDO(Low Dropout Regulator)是一种低压差线性稳压器,其主要功能是将较高的输入电压转换为稳定的较低输出电压[^2]。对于将7V转换为5V的应用场景,可以选择一款适合的LDO芯片并围绕它构建相应的电路。 #### 原理概述 LDO的工作原理基于反馈控制系统。通过调整内部晶体管的导通程度,使输出电压维持在一个稳定值。为了实现这一目标,通常需要以下几个核心元件: - **LDO芯片**:负责实际的电压调节。 - **输入电容 (Ci)**:用于滤除输入电压中的高频噪声,提高系统的稳定性。 - **输出电容 (Co)**:帮助平滑输出电压,减少纹波。 以下是具体的设计方案: --- #### 设计步骤说明 1. **选择合适的LDO芯片** 需要选择支持7V输入、5V输出且具有低dropout特性的LDO芯片。常见的型号有LM1117、TLV700等。这些芯片能够在较小的压差下提供稳定的输出电压。 2. **外围元器件配置** - 输入电容 Ci 的典型取值范围为 1μF 至 10μF,推荐使用陶瓷电容器以获得更好的高频特性。 - 输出电容 Co 的选取取决于具体的 LDO 芯片规格书建议值,一般在 10μF 左右即可满足需求。 3. **连接方式** 将输入端接入 Vin 引脚,接地引脚 GND 连接到地平面,最后从 Vout 引脚获取所需的 5V 输出电压。 --- #### 参考电路图 下面是典型的 LDO 电路原理图示例: ```plaintext Vin (+7V) ----|>|----+-----> Vout (+5V) | | Ci LDO Chip | | GND-----+ | Co | GND ``` 其中: - `Ci` 是输入电容; - `Co` 是输出电容; - `LDO Chip` 表示所选的具体 LDO 芯片型号。 --- #### 实际应用注意事项 - 确保 PCB 板布局合理,尤其是 Ci 和 Co 应尽量靠近 LDO 芯片放置,以减小寄生效应的影响。 - 如果负载电流较大,则需考虑散热措施,可能还需要额外安装散热片或优化热传导路径。 --- ### 示例代码片段 虽然本案例无需编程实现,但如果涉及动态监测输出电压情况下的单片机控制逻辑,可以参考如下伪代码结构: ```c void check_voltage() { float inputVoltage = read_analog_input(PIN_VIN); // 获取输入电压 float outputVoltage = read_analog_output(PIN_VOUT); // 获取输出电压 if ((inputVoltage >= 7.0) && (outputVoltage == 5.0)) { printf("LDO working normally.\n"); } else { printf("Check the circuit connections or replace the LDO chip.\n"); } } ``` 此函数仅作示意用途,在实际项目中应结合硬件接口定义完成相应开发。 ---
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