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 V_{IN} 大于输出电压 V_{OUT} 。
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 V_{DROPOUT} 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 V_{OUT} 的目的(其中的 RDS_{ON} 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:
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 C_1 ,以及 10uF
的钽电容作为输出电容 C_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 V_{OUT} = V_{REF} times (1 + frac{R_2}{R_1}) + I_{ADJ} times R_2 。公式当中的 I_{ADJ} (约 50uA
)通常可以忽略,因为其值远远小于 R_1 上面的电流(约 2mA ~ 10mA
)。
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 |
---|---|---|
AMS1117 | 3.33V | 3.3V |
TLV1117 | 3.27V | 3.26V |
NCP1117 | 3.31V | 3.3V |
ME1117 | 3.28V | 3.26V |
CJT1117 | 3.32V | 3.32V |
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 |
---|---|---|
AMS1117 | 17.6mV | 19.2mV |
TLV1117 | 16.2mV | 18.4mV |
NCP1117 | 15.8mV | 16.8mV |
ME1117 | 16.7mV | 17.6mV |
CJT1117 | 16.2mV | 16.8mV |
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 |
---|---|
AMS1117 | 344mV |
TLV1117 | 94mV |
NCP1117 | 134mV |
ME1117 | 216mV |
CJT1117 | 172mV |
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;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 |
---|---|---|---|---|---|
XC6206 | SOT-23-3 | 1.4uA | < 5mV | 680mV | 0.6% |
ME6206 | SOT-23-3 | 8.3uA | < 5mV | 11.6mV | 0.9% |
ME6211 | SOT-23-5 | 36.9mA | < 5mV | 18.2mV | 0.6% |
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;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:
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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