电源管理器件输出电压精度的分析

摘　要：电源管理芯片的高精度电压输出，是电源管理技术的一个重要课题，以LDO稳压器为基础，详细分析了基准电压漂移、误差放大器电压漂移等影响电源电压输出精度的主要因素。

关键词：电压输出精度；基准电压漂移；误差放大器增益；取样电阻误差

引 言

　　近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装置、视频或音频产品、DC，医疗仪器及测试仪器等发展更为迅速，产品的功能也在日益丰富，因此在可靠性和高效率及长时间运行能力方面对电源管理提出了更高的要求。当前电源管理技术除了要求尽可能提高电池功率转换效率并最大限度地提高负载器件的功率利用效率之外，还对输出电压的精度提出了更高的要求，因此，有关输出电压精度的分析与研究也成为一个充满潜力的电源管理课题。

集成稳压器概述

集成稳压器(电压稳压器)是最常用的电源管理芯片。由于他使用方便、体积小、性能良好、可靠性高，目前已发展到几百个品种。

根据工作原理的不同可将电源管理IC分成3类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。在过去的几年里，电源管理市场上高效率的稳压器倍受欢迎，尽管开关稳压器效率较高，但是其系统复杂、成本高，而且输出电压开关噪声大，由此带来了许多问题，如此，许多电子系统的电源供电仍选择由线性稳压器来提供。线性稳压器以其低噪声、低成本等优势，始终在电源管理市场上占有重要的一席。为了改善线性稳压器效率的不足，新型超低漏失稳压器(LDO)减小了输入输出压降，提高了工作效率，是目前线性稳压器中的最好选择。

低压降(LDO)线性稳压器的主要特点是：成本低、噪音低、静态电流小。他需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最后有10%是没有使用，但LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。

对于DC-DC降压转换器，几乎所有的降压型DC-DC转换器的效率都高于LDO稳压器，当输入电压高出输出电压很多时更是如此，这种电路的占空比能够达到100%，可是电压差很高。通常，使用PFM的DCDC降压转换器输出脉动和噪声较大，而静态工作电流较小；用PWM的DCDC降压转换器的输出脉动和噪声都较小，但静态工作电流较大。在输入电压远远高于输出电压的应用中，为达到高效率、低噪声的指标要求，有些降压型DCDC控制器里面还有LDO稳压器。

LDO线性稳压器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因此他在便携式电子产品中越来越受欢迎。目前市场上主要有双极型和CMOS型两种LDO线性型稳压器。双极器件开发早、工艺相对成熟、稳定，用双极工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件，适用于高精度的模拟集成电路，但其功耗大，集成度低，无法满足集成规模越来越大的系统集成的要求，而且为了防止他的调整管进入饱和状态而降低输出能力，输入输出之间必须维持一定的压降，无法提高转换效率；CMOS器件有极低的静态功耗、高集成度、抗干扰能力强、宽的电源电压范围以及较宽的输出电压幅度(无阈值损失)，而且CMOS型线性稳压器调整元件是电压驱动的，不需要电流，大大降低了器件本身消耗的电流，输入输出间的压降特别低。与其他半导体工艺相比，CMOS工艺的发展已经十分成熟，占据了集成电路市场绝大部分的份额，并且随着其工艺不断向亚微米和深亚微米发展，其产品在速度上也已经赶上并超过了双极工艺。新一代的LDO都是用CMOS工艺生产的，他和使用BipOlar工艺生产的LDO功能上没有多大的区别，而静态电流、压降、噪音等内在性能却有很大的提高，成本更低。

无论是哪一种稳压器，市场均对其电压输出精度提出了较高的要求。下面以LDO稳压器为例，对影响电压精度的主要因素进行分析。

LDO稳压器组成结构及工作原理概述

一般的线性稳压器主要由基准电压源、误差放大器、调整管、输出采样反馈电路等组成，如图1所示。其简单工作原理是：系统加电，电路开始启动，电流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由采样电阻得到的反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变。



LDO稳压器输出电压精度的分析

稳压器的输出电压精度一般是综合考虑电压调整率、负载调整率、基准精度、运放失调、温度系数以及取样电阻的精度等特性后的计算结果，设稳压器输出精度为A cc，稳压器保持正常工作时的最大负载范围和最大输入电压范围内输出电压变化量分别为△V_ldr，△V_sv，工作温度变化引起的输出变化为△V_o，tc，基准漂移引起的输出变化为△V_o，ref，误差放大器失调引起的输出变化为△V_o，a，反馈电阻阻值漂移引起的输出变化为△V_o，s。这样，稳压器输出电压精度为：


　　输出精度主要由随温度变化的基准电压源、误差放大器特性，以及取样电阻容差决定。电压调整率、负载调整率以及补偿对精度的影响大约占到整个精度的1%～3%。为了分析他们对输出精度的影响，这里不妨设稳压器环路的环路增益为A0，负反馈系数为B，可知：



　　根据误差放大器负反馈原理，基准与输出电压关系：



　　这一结论非常重要，在下面的精度讨论中，常常会引用到式(6)。下面首先分析电压调整率、负载调整率、增益误差对输出电压精度的影响。

电压调整率
电压调整率反映了输出电压随输入电压变化而变化的灵敏程度。他定义为在负载电流，环境温度保持不变的条件下，输入电压变化△V_in，由此引发输出电压产生△V_out的变化量。其公式表示为：



　　由此可见，稳压器的电压调整率主要由基准源的相对精度决定。

负载调整率
负载调整率则反映了输出电压对于负载电流的变化而保持不变的调整能力。负载调整率定义为：



　　负载调整率的实质即是稳压器的输出阻抗。假设负载电流变化△I_out，输出电压随之变化△V_out，则△ I_out可表示为：


　
　　改善负载调整率的主要途径有：减小调整管的导通电阻；增大环路的环路增益。接下来，分别考虑基准电压漂移，误差放大器电压漂移和取样电阻容差对输出电压的影响。

基准电压漂移
当Vref变化到V_ref+△V_ref时，输出电压失调为：



因此，由基准漂移引起的输出电压变化可以由如下关系式表示：



　　式(12)表明，输出电压精度直接受到基准电压精度的影响。如果基准电压精度为1%，则稳压器的输出电压将变化同样的比例。

误差放大器电压漂移
误差放大器具有失调及温漂特性，由此影响输出电压精度。根据运放失调的定义，可通过一定的电压来补偿失调，从而使运放接近理想。设误差放大器的增益为A，失调电压为V_os，假定基准用一部分电压去补偿失调使运放理想，那么运放端实际输入电压为V_d +V_ref，于是有：



　　假设稳压器的环路增益足够大，则由失调引起的输出电压误差近似为：



取样电阻误差
根据运放负反馈原理，取样电阻为R1，R2时，则稳定后输出电压为：



假设取样电阻R1，R2的误差分别为△R1，△R2，当电阻R1变化到R1+△R1，R2变化到R2+△R2时，则输出电压：



　　那么由取样电阻容差引起的输出电压变化为：



其中容差△R1，△R2可正可负，或为零。由此可见，只要R1，R2的精度保持一致：



即当R1，R2良好匹配时有△V_out= 0。

结　语

由以上分析可知，对输出电压精度影响较大的几个因素为基准的精度(主要是温度特性)、误差放大器的增益与失调电压，以及反馈电阻的精度。因此在电源管理芯片的设计过程中，对基准电压源、误差放大器及反馈采样电路等模块的特性需要仔细加以考虑，以保证新片输出精度的要求。