电源电路设计-线性稳压器(LDO)-含AMS1117-3.3设计解析

目录前言LDOLDO经典电路LDO工作原理LDO关键参数AMS1117-3.3电路设计关键参数电容的选择前言电源电路作为PCB设计的核心模块其稳定供电是电路正常工作的基础条件。LDO低压差线性稳压器作为电源电路中常见的芯片类型在项目复刻过程中经常被使用但多数使用者对其原理了解不够深入。本文将系统阐述LDO的工作原理并以AMS1117-3.3芯片为例进行详细设计解析。LDOLDO为低压差线性稳压器用于将较高的输入电压稳定地转换为较低的输出电压。LDO电路其实特别简单其优缺点有优点电路简单外围器件少通常只需一两个旁路电容成本低。噪声极低由于没有开关动作不会产生开关噪声输出电源非常“干净”。纹波抑制比高能有效抑制输入电源上的纹波和噪声。瞬态响应快对负载电流的快速变化能做出迅速反应。缺点只能降压LDO只能将输入电压降低后输出。效率较低其效率大致为 输出电压 / 输入电压。输入输出电压差越大效率越低。发热问题调整管上的压降与电流的乘积会转化为热量。在压差大或电流大的情况下LDO 会严重发热。LDO经典电路使用者其实只要找到芯片的对应手册选择相应的电容即可 。但对于其原理及其设计细节却一知半解。LDO工作原理LDO内部大致可分为四个模块串联调整管Pass Element通常是一个P沟道MOSFETPMOS或PNP三极管。它串联在输入VIN和输出VOUT之间充当一个受控的“可变电阻”阀门。误差放大器Error Amplifier系统的“大脑”负责比较和放大信号。基准电压源Voltage Reference通常由带隙基准电路产生提供一个极高精度、低噪声且几乎不受温度影响的参考电压如1.25V。反馈分压网络Feedback Network由两个电阻R1和R2组成用于对输出电压进行采样LDO工作流程LDO的工作过程是一个不间断的“采样-比较-调节”闭环过程采样Sampling输出电压VOUT通过电阻分压网络R1和R2进行分压得到一个反馈电压VFB。公式为比较Comparing误差放大器将采样得到的反馈电压VFB与内部精准的基准电压VREF进行比较。如果两者不相等就会产生一个误差电压信号。调节Regulating误差放大器通过调节调整管的等效电阻来稳定输出电压输出电压升高时增大调整管电阻以增加压降输出电压降低时减小电阻以减少压降。LDO关键参数在选择和使用 LDO 时需要关注以下几个关键参数压差 (Dropout Voltage)维持正常稳压所需的最小输入输出电压差。这是 LDO 的核心指标低压差意味着在电池供电设备中能更充分地利用电能。电源抑制比 (PSRR)衡量 LDO 抑制输入端噪声能力的指标数值越高越好。静态电流 (Quiescent Current)在无负载时 LDO 自身消耗的电流。低静态电流对电池供电设备的续航至关重要。输出噪声LDO 自身产生的噪声大小。热阻 (Thermal Resistance)衡量芯片散热能力的参数对于热管理设计非常重要。AMS1117-3.3电路设计关键参数压差1V输出电压3.3V最大工作电压16V输出电流1A静态电流5mA电源抑制比72dB(120Hz)输出噪声0.003%Vout通过上述参数我们可以得出以下结论输入电压高于4.3V且低于16V常用供电中可用5V系统供电但不能使用24V系统输出为3.3V电流不能高于1A功率在3.3W以内电容的选择不知道各位同学看过多少LDO发现一个现象是VIN不一定有电容但VOUT一定有电容可能有一个可能有两个也可能是钽电容、独石电容甚至是电解电容。到底用什么搞得莫名其妙就是一个抄。电容目的VIN输入电容是非必须的主要作用是滤波VIN线路过来可能比较长中间可能存在干扰在VIN处接个电容的目的是使其电压稳定一点有则更好没有也可以。毕竟AMS1117-3.3本就没有规定输入电压的大小。VOUT输出电容是必须的核心目的是提供稳定的电压LDO的特点就是输出电压稳定和低噪声AMS1117-3.3本就规定输出电压要稳定在3.3V在VOUT加入电容利用电容的储能特性可以很好稳定其输出电压。可以看出二者其实差距并不是很大只是VOUT是必不可少的实际设计中根据具体的物理空间大小灵活调整虽然说这么多但电容的选择还是优先考虑数据手册例如AMS1117-3.3指明输出电容为22uF的钽电容。但是其实我们根据其电容目的也可以直接设计为双电容结构即输入和输出端分别用两个电容去滤波VIN推荐顺序电源输入 →小电容 (如0.1μF)→大电容 (如10μF)→ LDO引脚VOUT推荐顺序LDO引脚 →小电容 (如0.1μF)→大电容 (如10μF)→ 负载速通LDO查看输出电压、压差、最大工作电压获得该LDO的工作电压范围输出电压压差~最大工作电压查看输出电压和输出电流获得LDO的最大输出功率输出电压*输出电流挑选合适电容按手册或挑选常规电容