一文了解低压差稳压IC（LDO）及其在电池驱动设备中的意义

了解低压差稳压IC(LDO)及其在电池供电设备中的重要性

如今，电子设备的尺寸比以往任何时候都要小。这使我们能够在智能手表，健身追踪器和其他可穿戴设备等紧凑型便携式设备中加入功能，它还帮助我们部署远程物联网设备进行牛群监控，资产跟踪等。所有这些便携式设备的一个共同点是它们是电池供电的。当设备由电池供电时，设计工程师必须选择能够节省设计中每毫伏的组件，以便在可用的电池电量下长时间运行设备。一旦这样的元件就是低压差稳压IC(LDO)。在本文中，我们将了解有关LDO以及如何为您的电路设计选择正确LDO的更多信息。

什么是电子产品中的调节器?

稳压IC是调节某些东西的设备或精心设计的机制，这里的某些东西通常是指电流的电压。主要用于电子产品的稳压IC有两种类型，第一种是开关稳压IC，第二种是线性稳压IC。它们都有不同的工作架构和子系统，但我们不会在本文中讨论它们。但简单来说，如果稳压IC控制输出电流，那么它被称为电流稳压IC。通过相同的方面，电压调节器用于控制电压。

LDO和线性稳压IC之间的区别

线性稳压IC是用于电源调节的最常用器件。但是，在电池供电应用中使用线性稳压IC的缺点是，线性稳压IC的输入电压始终需要高于稳压输出电压。这意味着，输入电压和输出电压之间的差异很大。因此，当要求稳压输出电压与输入电压接近时，标准线性稳压IC具有一些局限性。

LDO的工作

LDO是线性调节器王朝的一部分。但是，与普通的线性稳压IC不同，在LDO中，输入电压和输出电压之间的差异较小。这种差异称为压差。由于LDO具有非常低的压差电压，因此称为低压差稳压IC。您可以将LDO想象成一个与负载串联的线性电阻器，以将电压降低到所需的水平。具有LDO的优势在于其两端的压降将远远小于电阻。

由于LDO在输入和输出之间提供低压差，因此即使输入电压相对接近输出电压，它也可以工作。LDO两端的压降最大值介于300mV至1.5V之间。在一些LDO中，电压差甚至小于300mV。

上图显示了一个简单的LDO结构，其中设计了一个闭环系统。基准电压由输入电压产生，并馈送到差分放大器。输出电压由分压器检测，并再次馈送到差分放大器的输入引脚。根据这两个值，基准电压的输出和分压器的输出，放大器产生输出。该输出控制可变电阻器。因此，这两个值的任何值都可能改变放大器的输出。这里需要基准电压源保持稳定，以准确感测另一个电压源。当基准电压稳定时，输出电压的微小变化通过电阻分压器反映在差分放大器的输入端。然后，放大器控制可变电阻器以提供稳定的输出。另一方面，基准电压不依赖于输入电压，而是在差分放大器两端提供稳定的基准电压，使其不受瞬态变化的影响，并且还使输出电压独立于输入电压。在实际结构中，此处显示的可变电阻通常由高效的MOSFET或JFET取代。双极晶体管不用于LDO，因为电流和发热的额外要求导致效率低下。

选择LDO时要考虑的参数

基本功能

由于它是确保向负载正确供电的基本器件，因此第一个关键特性是负载调节和稳定的输出。在负载电流变化期间，适当的负载调整率至关重要。当负载增加或减少其电流消耗时，稳压IC的输出电压不应波动。输出电压的波动以每安培电流的mV范围测量，称为精度。一个LDO的输出电压准确度范围为5mV至50mV，仅为输出电压的几个百分比。

安全和保护功能

LDO通过确保整个输出端的正确供电来提供基本的安全功能。通过输入和输出两端的保护电路来适应安全特性。保护电路包括欠压保护(UVLO)、过压保护(OVLO)、浪涌保护、输出短路保护和热保护。

在某些情况下，提供给稳压IC的输入电压可能会显著降低或升高到高值。这导致LDO的电压和电流输出不正确，这将损坏我们的负载。如果LDO两端的输入电压超出限值，则触发UVLO和OVLO保护以保护LDO和负载。UVLO的下限和最大输入电压限值可以使用简单的分压器进行设置。

浪涌保护电路使LDO免受瞬变和高压浪涌或尖峰的影响。它也是不同LDO提供的附加功能。输出短路保护是过流保护的一种形式。如果负载短路，LDO的短路保护功能会断开负载与输入电源的连接。热保护在LDO被加热时起作用。在加热操作期间，热保护电路会停止LDO的工作，以防止对其造成任何进一步的损坏。

附加功能

LDO可以有两个额外的逻辑电平控制引脚，用于与微控制器输入进行通信。使能引脚通常称为EN，这是LDO的输入引脚。一个简单的微控制器可以改变LDO的EN引脚状态，以启用或禁用电源输出。当出于应用目的需要打开或关闭负载时，这是一个方便的功能。

电源良好引脚是LDO的输出引脚。该引脚还可以与微控制器单元连接，以提供逻辑低电平或高电平，具体取决于电源条件。根据电源良好引脚的状态，微控制器单元可以获取有关LDO两端电源状态的信息。

LDO的局限性

虽然LDO在低压差电压下提供适当的输出，但它仍然有一些局限性。LDO的主要限制是效率。诚然，LDO在功耗和效率方面优于标准线性稳压IC，但对于效率是主要关注点的便携式电池相关操作而言，它仍然是一个糟糕的选择。如果输入电压明显高于输出电压，则效率甚至会变差。当电压降较高时，散热增加。多余的废能转化为热量并需要散热器，导致PCB面积增加并产生元件成本。为了提高效率，开关稳压IC仍然是优于线性稳压IC(尤其是LDO)的最佳选择。

我应该在下一个设计中使用LDO吗?

由于LDO提供非常低的压差，因此最好仅在所需输出电压非常接近可用输入电压时才选择LDO。以下问题可以帮助您确定电路设计是否确实需要LDO

所需的输出电压是否接近可用输入电压?如果是，那么多少钱?如果输入电压和输出电压之间的差值小于300mV，则最好使用LDO

对于所需的应用，是否可以接受50-60%的效率?

需要低噪音电源吗?

如果成本是一个问题，并且简单，零件数量更少，则需要节省空间的解决方案。

添加开关电路会不会太昂贵和笨重?

如果您对上述所有问题的回答都是“是”，那么LDO可能是一个不错的选择。但是，LDO的规格是什么?好吧，这取决于以下参数。

输出电压。

最小和最大输入电压。

输出电流。

LDO的软件包。

成本和可用性。

启用和禁用选项是必需的还是不需要的。

应用程序需要其他保护选项。如过流保护、UVLO、OVLO等。

LDO–示例设计

让我们考虑一个实际情况，其中LDO将是强制性的。假设需要一种低成本、简单、节省空间的解决方案，将3.7V锂电池输出转换为具有短电流限制和热保护的稳定的3.3V 500mA电源。电源解决方案需要与微控制器连接，以启用或禁用某些负载，效率可达50-60%。由于我们需要一个简单且低成本的解决方案，因此我们可以排除开关稳压IC设计。

锂电池在完全充电条件下可提供4.2V，在完全空载条件下可提供3.2V。因此，可以通过微控制器单元检测LDO的输入电压来控制LDO在低电压情况下断开负载。

为了求和，我们需要3.3V输出电压，500mA电流，使能引脚选项，低器件数量，约300-400mV压差要求，输出短路保护以及热关断功能，对于此应用，我个人选择的LDO是通过微芯片MCP1825-3.3V固定稳压IC。

完整的功能列表可以在下图中看到，取自数据表-

LDO-印刷电路板设计指南

一旦您确定了LDO并对其进行了测试，使其适合您的设计，您就可以继续为您的电路设计PCB。以下是您在为LDO元件设计PCB时应该记住的几个提示。如果使用SMD封装，则必须在PCB中提供适当的铜面积，因为LDO会散热。铜厚度是无故障运行的主要因素。2盎司(70um)铜厚度将是一个不错的选择。与噪声相关的问题需要厚接地层。使用过孔在双面PCB中实现适当的散热。