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LDO设计中的盲区:负载调整率

作者:时间:2018-12-29来源:网络收藏

  传统的一般要求输入输出的压差在2~3V以上,随着时代的发展,这样的条件已经不能满足实际应用的需要。例如在无线通信领域,GPRS模块常用到的电压是4V,经常是通过5V转换而来,输入输出的压差需低至1V。针对这样的情况,于是(Low dropout regulator)应运而生。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201812/396199.htm

  相对而言,的优点是噪音低,静态电流小。很多在外围电路里还需要有电感和续流二极管,而的典型电路非常简单,很多LDO只需在输入端及输出端各接一颗旁路电容就能够稳定工作,对于节省PCB的布局空间也很有优势。Ricoh推出的很多LDO,还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。

  很多硬件工程师在LDO的应用中主要考虑输入电压范围,输出电压和电流、压差、纹波、功耗、静态电流等,然而往往会忽略一个很重要的参数:负载调整率。本文就笔者在应用Ricoh的RP170N401B时由于忽视了负载调整率而来带的问题,并最终通过改进设计得到解决的过程,分享自己的一些经验。

  问题描述

  笔者的电路如图1所示,系统12V转为5V,5V转换成3.3V和4V分别供MCU和通信模块。由于通信模块是定时打开和关闭的,使用中发现只要U12(RP170N401B)的使能脚为低电平,系统就能正常工作,在MOD_EN拉高时,整个系统则被复位。

  

  图1:笔者设计的最初版原理图

  问题分析

  笔者最初是怀疑4V后端的电路短路,导致5V电源被拉底,但由于6台样机均会发生这个问题,4V短路的可能性被排除。实际上在电路中还有看门狗兼电源监控的设计,如图2所示,问题就发生在这里,其中的PW_EN脚直接控制5V转3.3V的LDO芯片。

  

  图2:看门狗电路

  笔者首先测量了系统各个电源在MOD_EN被拉高时的波形,得到波形如图3所示。

  

  图3:系统各电源波形

  波形分析:图中从上至下依次为12V、5V、4V、3.3V波形,图中3.3V被拉低了184ms,需要进一步看一下5V和4V电源线上的尖峰细节。将以上波形进行放大后,得到如图4所示波形图。

  

  图4:系统各电源波形放大

  波形分析:图中从上至下依次为12V、5V、4V、3.3V波形细节。图中5V电压被拉至2.3V,此电压低于2.63V时706会输出200mS复位信号。实测时间184mS,在测量的误差范围内,与706的电源监控复位时间相近,可继续监测706的复位信号,得到如图5、6所示波形。

  

  图5:看门狗706的复位信号

  波形分析:图中从上至下依次为12V、5V、4V、PW_EN波形细节。4V跳变的瞬间,RST输出了低电平复位信号,将5V转3.3V的LDO使能脚拉底。

  

  图6:复位波形细节

  波形分析:在5V跌落后回升至3V前,看门狗706即输出了低电平复位信号,且复位信号分两段,在电源电压2.65V前后出现拐点,拐点前的跌落波形是随5V电源电压同步跌落;而拐点后的下降波形是看门狗芯片706监测到电源电压低于2.63V输出的复位信号。

  

  图7:RP170N401B手册上的负载调整率

  通过查看RP170N401B的器件手册,发现其在负载突然变大时,输出电压由于不能及时调整而有瞬间的跌落。对应到系统中,在使能4V电源LDO使能端的瞬间,因LDO后端有负载,瞬间电流的冲击,使得LDO输入和输出均有一定瞬间压降,系统把12V拉低至9.6V,更严重的是在50us内把5V电平拉低至2.6V以下,4.7V拉低到2.6V以下,引起电源监控芯片706输出复位信号,从而导致文头所述系统重启现象。

  改进方案

  从图7可见,当调整LDO输出的电容值时,其电压跌落也会变得平缓,同时采取了以下两个办法:

  1)LDO输出串联电感,通过电感的饱和电流来抑制芯片启动时的瞬态大电流。

  2)调整LDO输入输出两端的电容的拓扑结构,通过电容储能来消除跌落。

  图8:改进后的电路

  LDO的负载变化率也是十分重要的参数,这往往也是设计中的一个盲区。最终笔者的电路如图8所示,增加了电感L1,C77调整到1000uF,重启的现象也成功解决。

  经验总结

  在LDO芯片的应用中,负载调整率也是一个很重要的参数,在新产品设计的选型之初就应当重视这个参数。对老产品已经使用的芯片,当其负载调整率不能满足实际使用的要求时,通过控制后端负载电路的瞬间功率、调整LDO级联的拓扑结构等方法,可以使得电源设计满足系统要求,从而使产品稳定可靠地运行。



关键词: LDO DC-DC

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