1.前言

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 席卷我們的家庭和工作，我們發(fā)現(xiàn)越來越多的電器和系統(tǒng)集成了電子設(shè)備，讓我們幾乎可以從世界任何地方訪問它們。但是，由于我們的家庭和辦公室中連接了如此多的設(shè)備，因此我們要消耗大量的待機(jī)功率。我們可以做些什么來使我們的恒溫器、門、鈴鐺、安全系統(tǒng)和電視更高效，同時(shí)保持相同的連接完好無損？如果我告訴大家一個(gè)簡單的線性穩(wěn)壓器 (LDO) 可能是答案，大家會(huì)相信我嗎？以下是關(guān)鍵原因。

2.使用 LDO 提高電源效率

我們生活和工作空間中的許多設(shè)計(jì)都嚴(yán)重依賴傳感器來提供準(zhǔn)確的功能。這些傳感器中的許多需要解析度數(shù)，檢測少量的化學(xué)物質(zhì)或氣體，并測量極少量的液體。由于效率對傳感至關(guān)重要，因此我們需要集成開關(guān)模式電源 (SMPS) 以實(shí)現(xiàn)高于 80% 的效率。不幸的是，通過集成開關(guān)穩(wěn)壓器，我們會(huì)產(chǎn)生外部因素，例如對傳感器功能產(chǎn)生負(fù)面影響的電壓擺幅。

通常，我們在 SMPS 的輸出端添加一個(gè) LDO 來解決這個(gè)問題。LDO 降低了我們電源設(shè)計(jì)的整體效率；然而，它使我們能夠保持 70% 的效率，與全線性解決方案相比，這是整體性能的改進(jìn)，后者將在 10-20% 的范圍內(nèi)。LDO 還具有電源抑制 (PSR) 功能。PSR 有助于解決功率波動(dòng)，因此波動(dòng)不再影響傳感器，因?yàn)?LDO 充當(dāng)濾波器。我們以TPS717 LDO 為例。

圖 1：TPS717電源抑制

由于大多數(shù)傳感器集線器和子系統(tǒng)需要低電流，我們可以使用 10mA 負(fù)載的情況來分析我們的信號(hào)。如果我們假設(shè)我們是在2.1MHz的工作中，TPS717  具有過量的PSR 40dB的，這意味著LDO只反映小于100倍比SMPS的紋波。

3.LDO 系統(tǒng)可以消耗非常低的功率

考慮到效率問題，我們現(xiàn)在專注于系統(tǒng)的低功耗方面并降低整體待機(jī)功耗。為了計(jì)算 LDO 的功耗，我們必須查看輸入和輸出之間的壓降以及 LDO 提供的電流：

盡管我們的 LDO 對整體功耗的影響并不明顯，但許多 LDO，例如LP2951 ，具有關(guān)斷功能，可以關(guān)閉系統(tǒng)的電流供應(yīng)。 

圖 2：LP2951 的功能圖

在關(guān)斷模式下，系統(tǒng)中的功率損耗僅限于關(guān)斷電流：

以LP2951 為例，并以其關(guān)斷電流為例，我們可以將功率損耗降低 1,000 倍。

4. 限制LDO電流

LDO 中的電流限制是通過為所提供的電流建立一個(gè)上限來定義的。與恒流源不同，LDO 按需提供電流，但也可以控制調(diào)節(jié)的總功率。電流限制是通過控制 LDO 內(nèi)部輸出級(jí)晶體管的內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)的。請參見圖 1。這是 LDO 的經(jīng)典限流電路，通常被稱為“磚墻”限流電路，因?yàn)橐坏┻_(dá)到限制，它就會(huì)突然停止電流。在該內(nèi)部電路中，LDO 測量用于反饋的輸出電壓，但也測量輸出電流相對于內(nèi)部基準(zhǔn) (I REF )的縮放鏡像。

圖 1：限流內(nèi)部 LDO 結(jié)構(gòu)

在磚墻電流限制中，上限是定義的，LDO 逐漸提供電流，直到達(dá)到限制電流限制。一旦超過電流限制，輸出電壓就不會(huì)被調(diào)節(jié)，而是由負(fù)載電路的電阻 (R LOAD ) 和輸出電流限制 (I LIMIT )（公式 1

         (1)

只要熱阻 (θ JA ) 允許在結(jié)溫處于可接受范圍內(nèi) (T J < 125°C) 的健康功耗，傳輸晶體管將繼續(xù)此操作并耗散功率。一旦 V OUT過低并達(dá)到熱限制，熱關(guān)斷將關(guān)閉器件以保護(hù)其免受永久性損壞。設(shè)備冷卻后，它會(huì)重新打開并可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。這在可能出現(xiàn)短路的情況下尤為重要，因?yàn)?/span> LDO 將繼續(xù)將 V OUT調(diào)節(jié)至 0V。

折返電流限制與標(biāo)準(zhǔn)上限非常相似。但折返電流的主要目標(biāo)是限制總功耗，通過線性降低輸出電流限制而使輸出晶體管保持在其安全功耗限制內(nèi)，同時(shí) V OUT降低且 V IN保持穩(wěn)定。

每當(dāng)可能出現(xiàn)短路或過載等有害情況時(shí)，重要的是要防止這種影響傳輸?shù)狡渌舾须娮釉O(shè)備。受保護(hù)的 LDO 可以提供廣泛的功能，可以使任何設(shè)計(jì)更加穩(wěn)健。

5.結(jié)論

這是否意味著我們可以依靠 LDO 使我們的電源設(shè)計(jì)更加高效？不是一個(gè)人。系統(tǒng)的效率確實(shí)受整體設(shè)計(jì)的影響。但是通過添加正確的 LDO，我們可以確保為我們的設(shè)計(jì)所依賴的許多傳感器提供干凈的電源軌，并且我們可以確保傳感器僅在需要時(shí)消耗功率。