如何獲得穩定電源電壓及低壓降穩壓器穩定電源電壓詳解

低壓降（LDO）穩壓器如何保證穩定電源電壓詳解

穩壓器在想要從不穩定或可變的電源中獲得穩定電源電壓的應用至關(guān)重要。這類(lèi)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(xiàn)性穩壓器通常稱(chēng)為低壓降（LDO）穩壓器。其基本特點(diǎn)是無(wú)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，但現實(shí)世界中的情況卻有些不同。由于 LDO 輸出電壓并非絕對穩定，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，負載電流的快速變化會(huì )導致輸出電壓的變化。有時(shí)內部調節回路無(wú)法對電流的快速變化（由于時(shí)間延遲）作出反應，就會(huì )導致通常約為幾十毫伏（mV）的下沖/過(guò)沖。

B）輸入電壓的快速變化（通常是由 DC-DC 轉換器的輸出電壓紋波引起的）無(wú)法通過(guò)控制回路完全過(guò)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，該參數稱(chēng)為電源抑制比（PSRR），且通常是頻變參數。一般而言，PSRR 絕對值越高，從輸入到輸出的傳輸干擾信號就越少。通常情況下，受到干擾的輸入電壓會(huì )以 mV 或更低的單位級別傳輸至輸出端。相似地，輸入電壓的快速變化（即“線(xiàn)路瞬態(tài)響應”）可發(fā)生于 LDO 輸出端。

C）半導體結構自身會(huì )產(chǎn)生固有的噪聲，主要是由自由原子與基礎材料晶體結構碰撞而引起。由于固有噪聲是一種半導體中與電流傳導原理相關(guān)的物理現象，因此可以通過(guò)一些技術(shù)來(lái)抑制，但是不可能將其徹底去除?，F代 LDO 的輸出噪聲可以達到數以百計的微伏（uV）甚至更小，但是頂級 LDO 產(chǎn)生的噪聲就會(huì )達到微伏（uV）單位。

D）其他影響還包括輸入電壓的一個(gè)緩慢變化及其對線(xiàn)路調整率的影響、負載電流的一個(gè)緩慢變化及其對負載調整率、導熱系數和長(cháng)期穩定性的影響。

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

如何獲得穩定電源電壓，光靠電源線(xiàn)可以嗎？

當采用降壓型穩壓器或線(xiàn)性穩壓器電源時(shí)，一般是將電壓調節為設定值來(lái)為負載供電。在一些應用中 (例如，實(shí)驗室電源或需采用較長(cháng)電纜連接各種元件的電子系統)，由于互連線(xiàn)上存在各種電壓降，因此無(wú)法確保在所需位置點(diǎn)始終提供準確的穩壓電壓?？刂凭热Q于許多參數。

一個(gè)是負載需要連續恒定電流時(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載瞬變而變化。

影響直流電壓精度的因素包括所需的基準電壓 (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、后備電容以及控制環(huán)路的架構與設計。

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載空間分離，則在穩壓電壓和需要電能的位置之間將存在電壓降。該電壓降取決于穩壓器和負載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點(diǎn)的電纜或電路板上的較長(cháng)走線(xiàn)。

圖4顯示電源和負載之間存在電阻?？梢酝ㄟ^(guò)略微提高電源生成的電壓，來(lái)補償該電阻上的電壓損耗。不幸的是，線(xiàn)路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負載電流，即流過(guò)線(xiàn)路的電流。相較于低電流，高電流會(huì )導致更高的電壓降。因此，負載由精度相當低的調節電壓供電，而調節電壓取決于線(xiàn)路電阻和相應的電流。

對于這個(gè)問(wèn)題的解決方案如下：采用開(kāi)爾文檢測線(xiàn)測量電子負載側的電壓。在圖4中，這些額外的線(xiàn)路顯示為紅色。然后將這些測量值整合到電源側的電源電壓控制中。

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

無(wú)需額外的一對檢測引線(xiàn)，也可以對電源和負載之間連接線(xiàn)上的電壓降進(jìn)行補償。對于一些電纜布線(xiàn)復雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測試引線(xiàn)的應用而言，這一點(diǎn)特別有意義。

第二種方案是使用LT6110 這類(lèi)專(zhuān)用線(xiàn)路壓降補償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側，并測量進(jìn)入連接線(xiàn)之前的電流。然后根據測得的電流來(lái)調節電源的輸出電壓，從而能夠非常精確地調節負載側電壓，而不用考慮負載電流。

圖5.利用LT6110調節電源輸出電壓，以補償連接線(xiàn)上的電壓降

采用 LT6110 這類(lèi)元件，就可以根據相應的負載電流來(lái)調節電源電壓；不過(guò)，進(jìn)行這種調節需要了解線(xiàn)路電阻相關(guān)信息。大多數應用都會(huì )提供此信息。如果在器件的使用壽命期間，將連接線(xiàn)更換成更長(cháng)或更短的連接線(xiàn)，則還必須對采用 LT6110 實(shí)現的電壓補償進(jìn)行相應調整。

如果在器件工作期間線(xiàn)路電阻可能會(huì )發(fā)生變化，可使用LT4180 這類(lèi)元件，在負載側具有輸入電容時(shí)，通過(guò)交流信號對連接線(xiàn)電阻進(jìn)行虛擬預測，從而為負載端提供高精度電壓。

圖6.使用LT4180對線(xiàn)路進(jìn)行虛擬遠程測量

圖6顯示了一個(gè)采用 LT4180 的應用，其中傳輸線(xiàn)路的電阻未知。線(xiàn)路輸入電壓根據相應的線(xiàn)路電阻進(jìn)行調節。使用 LT4180，無(wú)需開(kāi)爾文檢測線(xiàn)路，只需逐步改變線(xiàn)路電流并測量相應的電壓變化即可實(shí)現電壓調節。利用測量結果確定未知線(xiàn)路中的電壓損耗。根據電壓損耗信息實(shí)現 DC/DC 轉換器輸出電壓的最佳調節。

只要負載側的節點(diǎn)具有低交流阻抗，這種測量方式就很有效。在許多應用中都有效，因為長(cháng)連接線(xiàn)之后的負載需要一定量的能量存儲。由于阻抗低，可以對 DC/DC 轉換器的輸出電流進(jìn)行調節，并通過(guò)測量連接線(xiàn)前側的電壓來(lái)確定線(xiàn)路電阻。

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