淺談電壓穩壓器的關鍵參數

01輸入電壓范圍/絕對最大額定值

選擇電壓穩壓器產品時，必須確認施加在電壓穩壓器上的電壓在輸入電壓范圍內（工作電壓范圍內）且在絕對最大額定范圍內。

在CMOS工藝中，由于耐壓和小型化（元件尺寸）是相反的關系，所以如果選擇輸入電壓范圍大、絕對最大額定值高的產品芯片，那么芯片尺寸往往會增大，而性能往往會降低。

根據實際應用，選擇最佳的輸入電壓范圍和絕對最大額定值的產品是很重要。

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍是指“IC可正常工作的輸入電壓范圍”。

從根本上說，IC的設計就是為了在輸入電壓范圍內正常工作。因此，必須選擇實際輸入的電壓在輸入電壓范圍內的產品。

反之，如果IC的工作電壓超出了輸入電壓范圍，則可能導致：

(a) 輸出規格外的特性

(b) 導致IC內置功能出現故障

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT	CIRCUIT
Input Voltage	VIN		1.6	-	6.0	V	①

絕對最大額定值

絕對最大額定值為“即使瞬間超過該范圍，IC也有可能破壞的電壓、電流、溫度”。如果瞬間超過絕對最大額定值的話，也可能導致損壞或性能下降，所以設計時要注意不要超過該范圍。

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

(*1) The maximum rating corresponds to the lowest value betweenVIN+0.3V or 6.5V.

PARAMETER	SYMBOL	RATINGS	UNITS
VINPin Voltage	VIN	-0.3 ~ 6.5	V
VOUTPin Voltage	VOUT	-0.3 ~ VIN+ 0.3 or 6.5 (*1)	V
CE Pin Voltage	VCE	-0.3 ~ 6.5	V

VIN端子的絕對最大額定值記載為-0.3V~+6.5V，必須避免施加超出該范圍的電壓。

另外需要注意，如VOUT端子那樣較高一端的規格規定為“VIN+0.3V 或 6.5V”時，則兩者中較低的電壓將作為絕對最大額定值使用。

02輸出電壓（設定方法/電壓范圍/電壓精度）

輸出電壓設定方法

電壓穩壓器的輸出電壓的設定方法大致分為兩種。

第一種類型是“輸出電壓固定型”在IC內部設定輸出電壓的類型，這種電壓穩壓器占大多數。

這種類型的主要優點是只需選擇所需輸出電壓的型號即可，設計簡單，無需外部元件，輸出電壓精度高。

第二種類型是“輸出電壓外調型”。一般可以用兩個外置電阻調整輸出電壓。因為可以用一個產品或型號制作多個輸出電壓，所以具有輸出電壓調整方便和元件集成等優點。

輸出電壓固定型

輸出電壓外調型

輸出電壓范圍

輸出電壓范圍是電壓穩壓器能夠輸出所需特性的輸出電壓范圍。

“輸出電壓固定型”中，可選擇的輸出電壓已確定，從中選擇輸出電壓。

“輸出電壓外調型”中，在輸出電壓范圍中規定的范圍內設定輸出電壓。如果設定在輸出電壓范圍外，則無法獲得所需的特性和功能，并可能導致故障。

輸出電壓精度

輸出電壓的電壓精度。

一般的情況下規定特定的輸入電壓、輸出電流下的輸出電壓精度。

“輸出電壓外調型”中，輸出電壓的調整需要外部元件。因此，外部元件的電阻偏差會降低電壓穩壓器整體的輸出電壓精度。

“輸出電壓固定型”中，反饋電阻包含在IC內部，因此不會因外置電阻而導致精度降低。

03最大輸出電流

這是電壓穩壓器輸出電流的最大值。

以最大輸出電流200mA的產品為例，介紹如何讀取和描述電氣特性。

規定為MIN. 200mA的意思是“即使考慮到制造偏差，最低也可以輸出200mA”。如果該值由TYP.規定，則表示“MIN.偏差程度不明確，因此采用了這樣的規定。

如果超過最大輸出電流時，電流限制功能將啟動，輸出電壓下降。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT	CIRCUIT
Maximum Output Current	IOUTMAX		200	-	-	mA	①

接下來是“輸出電壓和輸出電流”特性。

在圖表左上角，從標有“設定輸出電壓”的0mA點開始。

電流增加的話，在藍色的穩定狀態這條線上向右側轉移，通過寫有最大輸出電流的黑色虛線部分，此時這里的電流是200mA。

如果電流持續處于這種狀態，很多電壓穩壓器都會啟動電流限制功能。

在本次的例子中，使用的由藍和綠的線構成的電流限制特性，因為與字母“f”相似，所以通常也被稱為“f”字符特性。 電流限制功能的特性例

04電流限制

電流限制功能是指當電流過大時，用于保護IC和后級設備的功能。

電流限制功能啟動后，電壓穩壓器的“輸出電壓-輸出電流”特性因產品而異。一般是折返電路（f字特性），除此之外還有下垂特性等類型、下垂型和折返型的復合型等。

以最大輸出電流200mA產品的折返特性的電流限制為例，說明實際的電流限制操作。

a點 – b點	從0mA向右側輸出電流增加。
b點 – c點	最大輸出電流超過200mA，達到260mA時電流限制功能啟動。
c點 – d點	輸出電流隨著輸出電壓的下降而減小。 最終為輸出短路狀態（0V），輸出電流為短路電流的50mA。 短路期間的熱損耗可以通過“輸入電壓x短路電流”來計算， 將控制為VIN 4V×50mA=200mW。

05輸入輸出電壓差

維持設定輸出電壓所需的輸入和輸出之間的電壓差是輸入輸出電壓差。

輸入和輸出之間的電位差達到一定的值，維持設定輸出電壓的電壓差，可以看作是●●mA時所需的▲▲mV。

輸入和輸出的電壓差在輸入輸出電壓差以下時，輸出電壓下降。

一般來說，輸入輸出電壓差與“驅動器FET的導通電阻”和輸出電流成正比。因此，需要根據實際使用的輸出電流計算輸入輸出電壓差。

下面舉例說明。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNITS
Dropout Voltage	Vdif	IOUT=300mA, VOUT=5.0V	-	120	200	mV

在設定輸出電壓3.0V的產品中，輸出電流100mA維持3.0V的輸入輸出電壓差為240mV。即對于輸出電壓3.0V，輸入電壓需要在3.24V以上。

由于輸入輸出電壓差與輸出電壓呈線性關系，因此當輸出電流只有50mA （即100mA 的一半）時，輸入輸出電壓差也是一半，為120mV。此時，維持3.0V所需的輸入電壓為3.12V以上。
也就是說，輸入電壓低于3.12V時，如果輸出電流為50mA，則無法維持3.0V的輸出電壓，輸出電壓就會下降。

輸入輸出電壓差和導通電阻存在以下關系。

導通電阻Ron＝輸入輸出電壓差Vdif ÷ Iout（輸入輸出電壓差條件下的Iout值）

導通電阻越小的產品，輸入輸出電壓差越小。例如對于想要將輸出電壓維持到電池電量即將耗盡的應用，輸入輸出電壓差小的產品是最合適的。

06負載調整率

負載調整率被稱為“負載調整”，是表示在輸出電流變化前后，輸出電壓變化程度的特性。

在電氣特性上，表示輸出電流從某mA變化到某mA時，輸出電壓會變化多少mV。
在一般的線性型電壓穩壓器中，增大輸出電流時輸出電壓會降低。

在下面的例子中，可以看到從1mA變化到50mA時會降低50mV。 電壓穩壓器(XC6216 VOUT=5.0V)

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNITS	CIRCUIT
Load Regulation	△VOUT	1mA≦IOUT≦50mA, VCE=VIN	-	50	90	mV	①

電壓穩壓器（XC6216 VOUT=5.0V）：輸出電壓vs輸出電流特性

07 線性調整率

線性調整率被稱為“線路調整”，是表示“輸出電壓隨輸入電壓的線性變化而變化”的特性。

無論輸入電壓如何，輸出一定的輸出電壓是最理想的。

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETER	SYMBOL	CONDITIONS	MIN.	TYP.	MAX.	UNIT
Line Regulation	ΔVOUT/ (ΔVIN?VOUT)	VOUT(T)+2.0V≦VIN≦28.0V IOUT=5mA	-	0.05	0.10	%/V

上述的例子中，列舉了輸入電壓增加，輸出電壓也會增加這樣“單純增加”的例子，但實際上也會有不單純的增減情況。

08 負載瞬態響應

負載瞬態響應特性是指使輸出電流瞬態（瞬間）變化時的輸出電壓波動量。

理想的負載瞬態響應特性是輸出電壓變動小，同時盡快恢復到設定電壓的特性。

下圖左側的虛線部分表示輸出電流從1mA增加到100mA，導致輸出電壓下降。

右側的虛線圓形部分，表示輸出電流從100mA下降到1mA，導致輸出電壓上升（過沖）。

電壓穩壓器的負載瞬態響應特性主要取決于IC的消耗電流。

主要分為“消耗電流大的高速響應型”和“低消耗電流但瞬態響應慢”兩種類型。

下圖為輸出電流1mA到50mA的瞬態響應比較。注意這兩個波形的縱軸：VOUT范圍不同。

高速型電壓變動：10mV

消耗電流：100μA

低消耗型

電壓變動 : 500mV

消耗電流 : 0.6μA

左側高速型的輸出電壓下降幅度為10mV。相比之下，低消耗型的輸出電壓的下降幅度為500mV，比高速型大很多。另外，恢復到設定電壓的時間，高速型比低消耗型要短很多。

雖然變動幅度不能單純地與消耗電流值成比例，但我們可以看到，瞬態響應特性的差異往往會隨著電流消耗值的變化而出現。

為什么高速型和低消耗型的瞬態響應特性會產生很大的差異，從電壓穩壓器的工作原理來說明。

高速型的消耗電流大，可以使誤差放大器的輸出高速變動。由此，可高速控制驅動器FET的柵極電壓，可快速改變驅動器FET的導通電阻。此操作可獲得高速的瞬態響應特性。

相反，低消耗型的誤差放大器的輸出不能高速變動。因此，驅動器FET的柵極電壓控制變慢，這也使得驅動器FET的導通電阻變化較慢。因此，即使由于瞬態變化導致輸出電壓降低，也不能進行高速的響應。

如果將瞬態響應特性視為 "反應速度"，那么要提高反應速度，需要增加誤差放大器的消耗電流，“瞬態響應和消耗電流是權衡的關系”。

09PSRR

PSRR是紋波抑制（PSRR：Power Supply Rejection Ratio）的簡稱，是輸入電壓的變動作為輸出電壓的變動能夠有多小的指標。

它通常用作表示電壓穩壓器的瞬態響應特性的指標經常被使用。

在測量輸出電流條件不同的情況下，瞬態響應特性很難比較不同產品的瞬態響應能力。

但是，PSRR比瞬態響應特性更容易調整測量條件。另外，PSRR良好的電壓穩壓器的瞬態響應特性往往也較快，因此將PSRR作為高速響應的指標使用。

下面用具體的例子來說明PSRR。

紋波抑制（PSRR）

當帶有頻率成分的電壓ΔVIN輸入到輸入端時，輸出電壓變化ΔVOUT的比率。

PSRR(dB)＝20log(ΔVOUT/ΔVIN)

?20dB：衰減到1/10

40dB：衰減到1/100

80dB：衰減到1/1000

PSRR是在電壓穩壓器的輸入側施加的正弦波，在輸出端能減小多少的特性。上圖顯示輸入側A點施加正弦波時，輸出側B點的輸出電壓有多穩定。

例如在輸入側施加1kHz的500mVp-p的波形，將輸出端的變動抑制為5mVp-p的情況下，衰減到1/100（5mVp-p/500mVp-p），因此PSRR為40dB@1kHz。

PSRR取決于頻率，規格說明中一般使用1kHz時的值，但由于規定的頻率有時不同，所以需要注意頻率。

現在我們來看一下實際產品的PSRR。

高速型在1kHz時的PSRR為70dB（=1/3200），但低消耗型為20dB（=1/10），兩者的 PSRR 有很大的差別。一般來說，高速型PSRR的低頻側PSRR往往較高。

輸入側的搖動成分從低頻到高頻時IC無法響應，PSRR逐漸下降。這種情況下，無法去除的搖動成分會傳遞到輸出側。

如果更高頻的話，PSRR從下降趨勢變為上升趨勢。這表示IC無法對高頻做出響應，驅動器FET的導通電阻為固定。

在該狀態下，由于驅動器FET的固定導通電阻和輸出容量形成RC濾波器，因此PSRR呈上升趨勢。

審核編輯：湯梓紅