稳压器(Voltage Regulator)是一种在电源电压或者负载电流发生变化的时候,依然能够提供稳定输出电压的元件。常见的稳压器主要分为线性稳压器和开关稳压器两种。其中,开关稳压器是通过重复切换输出级的开关状态,并配合其它储能元件来产生指定的输出电压。而线性稳压器则是通过获取输出电压反馈,然后经由误差放大器组成的控制电路,动态的调节输入与输出之间的电压差,进而实现动态稳压的目的,其主要特点是输入电压 ��� 大于输出电压 ���� 。
近几年低压差稳压器(LDO,Low Dropout Regulator)被广泛应用在微控制器电路当中,其主要特点在于输入电压与输出电压之间的压差 �������� 非常小(通常在几十毫伏到几百毫伏范围)。在上面的 LDO 近似工作原理图当中,绿色的误差放大器通过改变内部的可变电阻,就能够达到了稳定输出电压 ���� 的目的(其中的 ����� 包括 LDO 内部的 调整元件电阻、片内互连电阻、引脚电阻、线焊电阻)。
全文会伴随笔者使用线性稳压芯片的经验,而持续进行更新,大家可以通过我电子技术博客 UinIO.com 的直达链接和书签,按需进行查阅:
《常见 LDO 线性稳压芯片的对比选型》uinio.com/Electronics/LDO/编辑
1 经典线性稳压器 1117 系列
1.1 输出电压精度1.2 输出纹波控制1.3 动态电压波动1.4 选型总结2 低压差线性稳压器 LDO3 特瑞仕 XC6206 系列4 微盟电子 ME6206 系列5 微盟电子 ME6211 系列
经典线性稳压器 1117 系列
AMS 公司(Advanced Monolithic Systems)的 AMS1117 是一款比较经典的线性稳压器。除此之外,还有德州仪器 TLV1117、安森美 NCP1117、微盟电子 ME1117、长晶科技 CJT1117 等 Pin-to-Pin 产品。SOT-223 是 1117 系列芯片的典型封装形式,下图对该封装的引脚功能进行了说明:
下图是一个固定电压输出版本 1117 的典型应用电路,这里推荐使用 10uF 的钽电容作为旁路电容 �1 ,以及 10uF 的钽电容作为输出电容 �2 :
而下面电路是一个可调电压输出版本 1117 的典型应用,其输出电压公式为 ����=����×(1+�2�1)+����×�2 。公式当中的 ���� (约 50uA)通常可以忽略,因为其值远远小于 �1 上面的电流(约 2mA ~ 10mA)。
输出电压精度
1117 系列线性稳压器的输出电压精度,通常为标称电压值的正负 1.5% 左右,即如果标称输出电压为 3.3V,那么实际的输出电压应当介于 3.25V ~ 3.35V 之间:
元件型号空载输出电压满载输出电压AMS11173.33V3.3VTLV11173.27V3.26VNCP11173.31V3.3VME11173.28V3.26VCJT11173.32V3.32V
注意:
空载输出(输出电流为
0 时的输出电压值),
满载输出(输出电流为
800mA 时的输出电压值)。
输出纹波控制
输出纹波用于衡量线性稳压器输出电压的平稳程度,是一个叠加在直流稳定值之上的交流分量。通常把这种纹波控制在 20mV 以内,就能够满足正常的使用。
元件型号空载输出电压纹波满载输出电压纹波AMS111717.6mV19.2mVTLV111716.2mV18.4mVNCP111715.8mV16.8mVME111716.7mV17.6mVCJT111716.2mV16.8mV
动态电压波动
因为线性稳压器的后级负载通常是动态变化的,所以就会导致其输出电压发生波动,这种波动是衡量线性稳压器性能的一个非常重要的参数。
元件型号波动电压大小AMS1117344mVTLV111794mVNCP1117134mVME1117216mVCJT1117172mV
注意:通常
1117 系列的
输出电容都会要求使用
钽电容,而非相同容值的
陶瓷电容,这是因为钽电容的
寄生电阻较大,而陶瓷电容的寄生电阻较小。换而言之
1117 系列的电源环路稳定性,非常依赖于拥有更大寄生电阻的钽电容,从而提升其动态响应性能。
选型总结
通常情况下 1117 系列的最大输出电流为 1A,但是当在 5V 转 3.3V 且输出电流为 800mA 的时候,芯片的发热温度将会达到 130°C 左右,所以尽量不要让 1117 去负载高于 1W 的功率;由于 1117 系列的 SOT-223 封装体积较大,比较浪费 PCB 布线空间,并且不能使用陶瓷电容作为滤波电容,同时静态电流也比较大(毫安级别),不适用于低功耗场景,加之假货与翻新件横行,因而在工程实践当中已经较少被使用;
低压差线性稳压器 LDO
低压差稳压器(LDO,Low Dropout Regulator)相对于传统的线性稳压器而言,输入与输出之间的电压差更小。传统的 78XX 系列线性稳压器,其输入电压要比输出电压至少高出 2V ~ 3V。而即便是要求更低一些的 1117 系列,其压差也至少在 1V 以上。这种情况下对于 5V 转 3.3V 的场景,输入与输出之间的压差仅有 1.7V,显然无法满足正常工作的条件。
下面的表格,展示了市场上常见的三款 LDO 芯片的相关性能参数:
LDO 型号封装形式静态电流输出纹波动态响应输出精度XC6206SOT-23-31.4uA< 5mV680mV0.6%ME6206SOT-23-38.3uA< 5mV11.6mV0.9%ME6211SOT-23-536.9mA< 5mV18.2mV0.6%
注意:当上述芯片的输出电流为
100mA 的时候,发热温度约等于
55°C,而当输出电流达到
100mA 的时候,则发热温度也将会达到
76°C,高于这个温度可能就需要考虑加装散热装置,并且选择更加有利于散热的 PCB 布局。
对于 SOT-23 封装的 LDO 线性稳压芯片,在 5V 转 3.3V 的情况下,最大输入电流应当控制在 200mA 以内。如果需要使用更大的输出电流,则可以考虑使用 1117 系列;特瑞仕 XC6206 静态电流较小,适合低功耗场景,但是需要注意它的动态响应和纹波都比较大;微盟电子的 ME6211 和 ME6206 系列性价比较高,小批量采购不容易购买到假货;SOT-23-5 封装的 LDO 元件相比于 SOT-23-3 多出一个 ENABLE 控制引脚(关断之后电流较小),如果需要控制输出就选择 SOT-23-5 封装,如果希望更小的封装,则可以选择 SOT-23-3 封装;
特瑞仕 XC6206 系列
特瑞仕 XC6206 系列是一款高精度低功耗的 LDO 线性稳压芯片,即使在输出电流较大的情况下,其输入与输出之间的压差依然较小。其常见的 SOT-23-3 封装通常拥有 输入、输出、接地 三个引脚,内部包含了限流电路、驱动三极管、高精度参考电压源、误差校正电路:
XC6206 系列的性能参数如下面的表格所示:
参数名称参数值最大输出电流200mA (3.0V type)输入输出压差250mV @ 100mA (3.0V type)最大工作电压6.0V输出电压范围1.2V ~ 5.0V (0.1V 递进)输出精度$$、$\pm30mV@V_{OUT}<1.5V$、$\pm1\% @V_{OUT}\ge2.0V$低功耗典型值为 1.0 μA输出电容类型可以兼容低 ESR 的陶瓷电容保护措施内置限流电路工作环境温度-40℃ ~ 85℃
XC6206 系列可以选用较低等效串联电阻(ESR,Equivalent Series Resistance)的陶瓷电容,并且可以由内部的限流电路提供输出引脚的短路保护,其典型应用电路如下图所示:
微盟电子 ME6206 系列
微盟电子推出的 ME6206 系列是一款低功耗低压差、高纹波抑制率,并且具有过流与短路保护的 CMOS 降压型稳压芯片,该系列元件具有较低的静态偏置电流(典型值为 8.0μA),可以在输入输出的电压差极小情况下,提供约 300mA 的输出电流,并且仍然能够保持良好的调整率。
参数名称参数值高精度输出电压±2%输出电压1.5V ~ 5.0V,步长为 0.1V最大工作电压6V静态偏置电流典型值8.0μA带载能力当 $V_{in}=4.3V$ 且 $V_{out}=3.3V$ 的时候,输出电流 $I_{out}=300mA$输入输出电压差输出电流为 90mA 时的压差为 0.2V,而输出电流为 200mA 时的压差为 0.4V
ME6206 系列常用的封装形式为 SOT-23-3,其典型应用电路如下图所示:
注意:上图当中的
VIN 为电压输入引脚,
VOUT 为电压输出引脚,而
VSS 则是接地引脚。
微盟电子 ME6211 系列
微盟电子推出的 ME6211 系列,是一款高精度、高纹波抑制比、低噪声,快速响应的 CMOS 低压差线性稳压器,该芯片内置有参考电压源、误差修正电路、限流电路、相位补偿电路、低内阻 MOSFET,可以达到高纹波抑制、低输出噪声、超快速响应的性能指标:
参数名称参数值最大输出电流当 $V_{in}=5V$ 且 $V_{out}=3.3V$ 的时候,输出电流 $I_{out}=500mA$输入输出电压差输出电流为 100mA 时压差为 100mV工作电压范围2V ~ 6.0V输出电压范围1.2V ~ 5.0V,步长为 0.1V输出精度±2%静态电流典型值为 50uA关断电流典型值为 0.1uA纹波抑制比例如 ME6211C33 为 70dB@1KHz输出噪声50uVrms输入稳定性典型值为 0.05%
ME6211 系列兼容体积相对于钽电容更加小巧的陶瓷电容,并且无需再额外使用 0.1μF 的旁路电容,进一步节省物料成本。除此之外,ME6211 系列常用的封装形式为 SOT-23-5,其典型应用电路如下图所示:
注意上图当中的 VIN 为电压输入引脚,VOUT 为电压输出引脚, VSS 属于接地引脚,CE 是使能引脚(高电平),而 NC 引脚无需进行连接。
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