CN106610683A - 一种ldo电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LDO电源电路，包括LDO电源及电容，其中，该电容为陶瓷电容，其一端与LDO电源的输出端连接，另一端与地连接。本发明通过设置陶瓷电容串联小电阻的方案来替代铝电解电容或钽电解电容，可以避免电容起火的风险，避免高低温影响，并使得电路更加灵活、可靠。

Description

一种LDO电源电路

技术领域

本发明涉及电源电路设计技术领域，具体地说，涉及一种LDO电源电路。

背景技术

随着汽车安全性能要求越来越高，整车部件的设计要充分考虑汽车运行时的各种工况，尽量降低部件设计的缺陷导致车辆运行时出现的问题。

在电动汽车的电路板上，一般采用LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)电源为一些关键元件提供稳定的电压。但是，LDO电源不能直接输出稳定的电压，其后端必须接具有一定等效串联电阻的电容才能保持输出电压的稳定，通常采用钽电解电容或者铝电解电容。但是，钽电解电容的失效模式是短路，容易导致电路板起火；铝电解电容易受到温度的影响，导致等效串联电阻和电容值变化，从而使得LDO产生自激振荡，导致其输出不稳定。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种LDO电源电路，用以保证LDO电源输出稳定的电压，降低LDO使用的风险。

根据本发明的一个实施例，提供了一种LDO电源电路，包括LDO电源及电容，

其中，所述电容为陶瓷电容，其一端与所述LDO电源的输出端连接，另一端与地连接。

根据本发明的一个实施例，多个所述电容并联后的一端与所述LDO电源的输出端连接，并联后的另一端与地连接。

根据本发明的一个实施例，所述陶瓷电容采用X7R介质。

根据本发明的一个实施例，所述陶瓷电容采用NPO介质。

根据本发明的一个实施例，在所述LDO电源的输出端与所述电容之间串联一等效电阻。

根据本发明的一个实施例，所述等效电阻的性能受温度影响小。

根据本发明的一个实施例，所述等效电阻为可变电阻。

根据本发明的一个实施例，在所述LDO电源的输出端与地之间设置一与所述等效电阻和所述电容串联支路并联的旁路电容。

根据本发明的一个实施例，所述等效电阻的取值由所述电容零点、LDO电源内部极点及所述旁路电容和所述等效电阻形成的极点确定。

本发明的有益效果：

本发明通过设置陶瓷电容串联小电阻的方案来替代铝电解电容或钽电解电容，可以避免电容起火的风险，避免高低温影响，并使得电路更加灵活、可靠。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的LDO电源电路原理图；

图2是对应图1的幅频和相频响应曲线示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的LDO电源实验电路结构图；

图4a是图3中等效串联电阻为1.1Ω时、LDO输出3.3V波形示意图；

图4b是图3中等效串联电阻为1.65Ω时、LDO输出3.3V波形示意图；

图4c是图3中等效串联电阻为1mΩ时、LDO输出3.3V波形示意图；

图5a是图3无输出电容、空载时、LDO输出3.3V波形示意图；以及

图5b时图3无输出电容、负载2.5A时、LDO输出3.3V波形示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

传统的线性稳压器要求输入电压比输出电压高出2v～3v以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件太苛刻了，如5v转3.3v，输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件。针对这种情况，出现了LDO电源转换芯片。

LDO电源是一种低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。LDO电源使用在线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。LDO电源压降电压是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。

如图1所示为据本发明的一个实施例的LDO电源电路原理图，以下参考图1来对本发明进行详细说明。如图1所示，该LDO电源电路包括LDO电源和电容C_O。其中，电容C_O为陶瓷电容，其一端与LDO电源的输出端连接，另一端与地连接。

陶瓷电容是用陶瓷材料作为电介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后经低温烧成银质薄膜作为极板。一般陶瓷电容和其他电容相比，具有使用温度较高，比容量大，耐潮湿性好，介质损耗较小，电容温度系数可在大范围内选择等优点，因而，广泛用于电子电路中。相对于铝电解电容，陶瓷电容的性能基本不受温度影响，只要常温下LDO电源输出正常，就可以避免其受高低温度的影响，提高LDO电源的可靠性。相对于钽电解电容，陶瓷电容的失效模式一般为断路，不会因为短路起火，保证LDO电源电路的安全。

陶瓷电容因其内部陶瓷介质材料的不同而具有不同的特性。不同陶瓷介质材料的陶瓷电容按温度稳定性分成三类：超稳定级的介质材料NPO、稳定级的介质材料X7R和能用级的介质材料Y5V。

NPO型材料属1类陶瓷介质，该类介质的电容最常用，并具有温度补偿特性，其填充介质由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成，是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。其电气性能最稳定，基本上不随温度、时间、电压的改变而改变，适用于稳定性、可靠性要求比较严格的场合。由于电气性能稳定，高频特性好，可很好的工作在高频、特高频、甚高频频段。

X7R型材料属2类陶瓷介质，该类介质的电容电气性能较稳定，随温度、时间、电压的变化特性变化并不明显，适用于要求较高的耦合、旁路、滤波电路及10MHZ的中频场合。

Y5V常用于容量为150pF-2nF的电容，温度范围比较宽，随着温度变化，电容容量变化范围较大。在本发明中，要求陶瓷电容受温度的影响越小越好，因此，优选X7R介质或NPO介质的陶瓷电容。

陶瓷电容本身的等效绝缘电阻较小，一般将一电阻与陶瓷电容串联在一起使用。如图1所示，将陶瓷电容C_O与一电阻R_ESR串联在一起使用，即将电容C_O和电阻R_ESR作为一个整体对LDO电源进行电容补偿。陶瓷电容就相当于补偿电容的实际电容，其电容值则根据实际需求选取。

通常情况下，为保证LDO电源电路的稳定性，电阻R_ESR一般选择1Ω左右的高精度电阻。对于1Ω以下阻值的高精度电阻，一般要求能达到±1％精密度之内，因为阻值基数很小，就算是1％的误差，实际的阻值误差已经很小了。另外，为保证电路的稳定性，选择性能受温度的影响要尽可能小的电阻R_ESR。

在本发明的一个实施例中，为滤除掉LDO电源输出的高频成分，还需要在LDO电源的输出端与地之间设置与电阻R_ESR与电容C_O所在支路并联的旁路电容C_b，从而避免电路中的高频信号进入负载R_L。

图1中LDO电源电路的稳定原理为：电阻R_ESR和陶瓷电容C_O会在LDO控制环路内形成一个零点，抵消LDO内部极点的影响，从而提高LDO电源系统的相位裕度到45°以上，从而保证LDO电源输出的稳定性。

具体的，以内部调整管为PMOS型场效应管的LDO电源为例进行分析。在图1中LDO电源采用PMOS型场效应管时，其开环传递函数中存在3个极点和1个零点，分别是：

由负载电流形成的极点P_o：

其中，R_DS为调整管漏源之间的等效电阻，λ为沟道调制系数，I_L为负载电流；

由旁路电容C_b和串联等效电阻R_ESR形成的极点P_b：

由LDO内部杂散电阻R_EA、电容C_PMOS形成的极点P_a：

其中，R_EA为内部误差放大器的等效输出电阻，C_PMOS为PMOS调整管的寄生电容；

由输出电容C_o形成的零点Z_ESR：

基于式(1)～(4)的零极点，可以在波特图上绘制出LDO电源的频率特性曲线，如图2中(a)部分为对应的幅频响应曲线，(b)部分为对应的相频响应曲线。

(a)部分中曲线G为LDO电源的幅频特性曲线，(b)部分中曲线P为LDO电源的相频特性曲线，γ为相位裕度。相位裕度是衡量系统稳定度的一个重要指标，是指回路增益等于0时，所在频率的相位偏移与-180°的差。相位裕度一般要求大于45°，系统才具有足够的稳定性，这在幅频特性曲线中表现为：幅频曲线以-20dB/Decade穿越0dB线。

在LDO电源电路设计中，其负载R_L、旁路电容C_b由其他电路的需求决定，输出电容C_o的大小也基本可以确定。此时，只需要调整串入的R_ESR电阻，就可以调整(a)部分中所示零极点的位置。从(a)部分可以看出，在一个R_ESR范围内，通过调整R_ESR的值，就可以调整图2中的(a)部分中零点和极点的位置，都可以保证幅频曲线以-20dB/Decade穿越0dB线，从而保证系统的稳定。在调试过程中，我们只要更改R_ESR的值即可，而不必像其他铝电解电容或钽电解电容那样，可能会因为串联等效电阻不合适，导致电容的封装不一致的问题。

具体的，图2中(a)部分中的增益曲线G的Z_ESR-P_b段以-20dB/Decade穿越0dB线。为保证该系统稳定，则要求该穿越点对应的相频特性曲线上的相位裕度至少为45°，如图2中(b)部分所示。为使得通过调整电阻R_ESR的值，使得增益曲线G以-20dB/Decade的Z_ESR-P_b段穿越0dB线，关键要确定临界端点Z_ESR对应的R_ESR的值。

如果增益曲线G与0dB线的交点为端点Z_ESR，则增益曲线G的P_a-Z_ESR段与0dB线相交，交点为端点Z_ESR。即图2中的(a)部分中的增益曲线G的P_a-Z_ESR与0dB线的交点对应一Z_ESR值(Z_b)，由该Z_ESR值确定一对应的R_ESR值。由式(4)可知，Z_ESR与R_ESR成反比关系，则此处可以确定R_ESR的最小值。

如果增益曲线G与0dB线的交点为端点P_b，则增益曲线G的Z_ESR-P_b段与0dB线相交，交点为端点P_b。即图2中(a)部分中的增益曲线G的Z_ESR-P_b段与 0dB线的交点为P_b。此时，该Z_ESR(Z_a)也确定一对应的R_ESR值。由式(4)可知，Z_ESR与R_ESR成反比关系，则此处可以确定R_ESR的最大值。

当Z_ESR位于Z_a和Z_b之间，R_ESR值位于由Z_a和Z_b之间的值确定的区间时，都可以保证幅频曲线以-20dB/Decade穿越0dB线，从而保证系统的稳定。在调试过程中，只要更改R_ESR的值即可，具有较大的灵活性。当LDO电路中旁路电容C_b、负载电流I_L有变化时，电路的零极点会改变，这时通过更改R_ESR使得电路稳定，从而使得电路更加灵活、可靠。

以下通过一个具体的例子来对本发明进行详细说明，如图3所示为根据本发明的一个实施例的LDO稳压器实验原理电路图。其中，LDO为TPS75733，输入电压V_i为5V，输出电压V_O为3.3V，最大电流输出可达3A，最小压差为150mV。输出电容C_O采用一个电阻与两个并联的陶瓷电容串联，R_ESR通过外面的电阻可调，R_L采用电子负载来实现，如图3所示。其中，C_O1、C_O2电容为47uF陶瓷电容，其内部电阻为2mΩ，C_b由n个0.1uF的陶瓷电容并联。

LDO后端接10个0.1uF的旁路电容，电子负载给定200mA，当电容C_O1、C_O2与R_ESR的等效串联电阻给定为1.1Ω时，LDO输出3.3V时，其输出稳定，如图4a所示。当把等效串联电阻增大为1.65Ω时，3.3V输出振荡：频率为344.83kHz，幅度为270.25mV，如图4b所示。

当把R_ESR短接时，等效串联电阻很小，为电容C_O1、C_O2自身的电阻，约为1mΩ，3.3V输出振荡：频率为32.258kHz，幅度为125mV，如图4c所示。这说明大容量陶瓷电容的自身的等效电阻比较小，不适合直接作为LDO后端的输出电容。

在本实施例中，LDO电源能够控制输出V_O的稳定，主要是由于输出电容C_O给闭环系统引入了零点Z_ESR，提高了系统的相位裕度，使得电路满足稳定的条件。如果没有输出电容C_O，则很显然LDO的输出会振荡。当在LDO后端接10个0.1uF的旁路电容，空载条件下，3.3V输出振荡：频率为100kHz，幅度为239mV，如图5a所示；当电子负载给定2.5A时，3.3V输出振荡：频率为416.67kHz，幅度为568.75mV，如图5b所示。因此，LDO后端的输出电容C_O是一定不能缺少的。例如，为了降低成本，而省去了输出电容C_O，导致车上的收音机不能正常工作，就是因为在没有输出电容C_O的情况下，LDO产生了自激振荡造成的。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明 而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种LDO电源电路，包括LDO电源及电容，

其中，所述电容为陶瓷电容，其一端与所述LDO电源的输出端连接，另一端与地连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，多个所述电容并联后的一端与所述LDO电源的输出端连接，并联后的另一端与地连接。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述陶瓷电容采用X7R介质。

4.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述陶瓷电容采用NPO介质。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电路，其特征在于，在所述LDO电源的输出端与所述电容之间串联一等效电阻。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述等效电阻的性能受温度影响小。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述等效电阻为可变电阻。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，在所述LDO电源的输出端与地之间设置一与所述等效电阻和所述电容串联支路并联的旁路电容。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述等效电阻的取值由所述电容零点、LDO电源内部极点及所述旁路电容和所述等效电阻形成的极点确定。