负载调整率LDO应用中可能的盲区

传统的DC-DC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LDO(Low dropout regulator)应运而生。

相对DC-DC而言，LDO的优点是噪音低，静态电流小。很多DC-DC在外围电路里还需要有电感和续流二极管，而LDO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。