探索NCP731 LDO稳压器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，低压差线性稳压器（LDO）是至关重要的组件，它能为系统提供稳定的电源。今天我们要深入了解的是安森美（onsemi）的NCP731 LDO稳压器，看看它有哪些独特之处，以及在实际应用中如何进行设计。

文件下载：onsemi NCP731低噪声CMOS LDO稳压器.pdf

1. NCP731概述

NCP731是一款CMOS LDO稳压器，具备非常低的噪声、低静态电流、快速瞬态响应以及较宽的输入和输出电压范围等特点。它的输入电压最高可达38V，输出电流为150mA，极低的噪声（8 VRMS）使其成为对系统性能要求较高的应用的理想选择，例如为运算放大器、模数/数模转换器等精密模拟电路供电。同时，内部的短路和过温保护功能能有效保护器件免受过载情况的影响。

框图

1.1 关键特性

• 宽输入输出电压范围：输入电压范围为2.7V至38V，输出电压可调范围为1.2V至35V，还有3.3V和5.0V的固定输出电压版本可供选择。
• 低噪声：在10Hz至100kHz的频率范围内，噪声仅为8 VRMS。
• 低静态电流：典型值为48μA，关机电流典型值为100nA。
• 低压差：在150mA输出电流时，典型压差为290mV。
• 高精度输出电压：在25°C时，输出电压精度为±0.6%。
• 可编程软启动电路：通过连接电容可设置软启动时间。
• 稳定性好：使用小至1μF的陶瓷电容即可保持稳定。
• 保护功能齐全：具备过流和热关断保护。
• 环保封装：采用Micro - 8 EP封装，无铅且符合RoHS标准。

2. 引脚功能与参数

2.1 引脚描述

引脚编号	引脚名称	描述
8	IN	电源输入引脚
4	GND	接地引脚
1	OUT	LDO输出引脚
5	EN	使能输入引脚（高电平使能，低电平禁用），若不需要此引脚，应连接到IN引脚
2	ADJ/FF	ADJ版本为调整输入引脚，可直接或通过电阻分压器连接到输出引脚；FIX版本为前馈电容引脚，可通过电容连接到OUT引脚以改善动态性能和降低噪声，也可悬空
3,7	NC	内部未连接，可悬空或连接到GND
6	SS	软启动输入引脚，连接电容设置软启动时间，若不使用可悬空
EP	EPAD	外露焊盘，必须连接到GND

2.2 最大额定值

NCP731的各个引脚和参数都有其最大额定值，例如输入电压为 - 0.3V至40V，输出电压根据不同版本有所限制，EN引脚电压为 - 0.3V至（VIN + 0.3）V等。在设计时，必须确保各引脚的电压和电流不超过这些额定值，否则可能会损坏器件。

2.3 电气特性

文档中给出了在特定测试条件下（如$V{IN }=V{OUT - NOM }+1 ~V$ ，$V{E N}=1.2 ~V$ ，$I{OUT }=1 ~mA$ 等）的电气特性参数，这些参数能帮助我们了解器件在不同工作条件下的性能表现。例如，输出电压的纹波、静态电流、压差等参数，对于评估稳压器的性能至关重要。

3. 典型特性曲线

文档中提供了大量的典型特性曲线，展示了NCP731在不同条件下的性能表现。

3.1 输出电压相关特性

包括输出电压与温度、负载的关系曲线。从这些曲线中我们可以看出，输出电压在不同温度和负载条件下的稳定性。例如，随着温度的升高，输出电压可能会有一定的变化，我们可以根据曲线来评估这种变化是否在系统可接受的范围内。

3.2 噪声特性

有多条关于输出电压噪声密度的曲线，展示了噪声密度与输出电压、输入电压、输出电容、负载电流等因素的关系。在对噪声要求较高的应用中，这些曲线能帮助我们选择合适的参数，以降低输出电压的噪声。

3.3 电源抑制比（PSRR）特性

PSRR曲线展示了PSRR与不同参数（如输出电容、输入电压、负载电流等）的关系。PSRR反映了稳压器对输入电压纹波的抑制能力，较高的PSRR值意味着稳压器能更好地抑制输入电压的波动，提供更稳定的输出电压。

3.4 瞬态响应特性

负载瞬态响应和线路瞬态响应曲线展示了稳压器在负载或输入电压突然变化时的响应能力。快速的瞬态响应能确保在负载或输入电压突变时，输出电压能迅速恢复稳定，避免对系统造成不良影响。

4. 应用信息

4.1 电容选择

• 输入电容（CIN）：为保证器件的稳定性，输入电容应尽可能靠近器件连接，其值至少为1μF，且越大越好。陶瓷电容（如X5R、X7R）因其低等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）而被推荐使用。在LDO输入电源负载瞬态响应较差或输出阻抗较高的情况下，输入电容需要显著增大至几十μF，以避免输入电压下降到最低水平以下。
• 输出电容（COUT）：LDO要求输出电容尽可能靠近输出和接地引脚连接。输出电容的有效电容范围为1μF至1000μF，ESR范围为1mΩ至50mΩ。同样推荐使用陶瓷电容（如X5R、X7R），因为它们在指定温度范围内的电容变化较小且ESR较低。较大的电容值和较低的ESR能改善负载瞬态响应、PSRR和输出电压噪声，因此推荐使用10μF的输出电容。

4.2 输出电压设置

NCP731提供固定输出电压（FIX）和可调输出电压（ADJ）两种版本。

• FIX版本：输出电压等于LDO的标称输出电压$V_{OUT - NOM}$。
• ADJ版本：可通过外部电阻分压器连接到OUT、ADJ和GND引脚来调节输出电压，计算公式为$V{OUT }=V{ADJ } \cdot\left(1+\frac{R{1}}{R{2}}\right)+I{ADJ} \cdot R{1}$ ，其中$V{ADJ}$为ADJ版本的参考电压（1.2V），$I{ADJ}$为ADJ引脚的输入电流。文档中还给出了一些电阻分压器的示例值，供我们参考。

4.3 启动过程

NCP731的启动过程由两个主要内部信号触发：IN引脚欠压锁定（UVLO）信号和使能信号。当这两个信号都变为高电平时，启动过程开始。前馈电容（$C{FF}$）会影响输出电压的上升时间和形状，当$C{FF}$小于或略大于软启动电容（$C{SS}$）时，输出电压线性上升，且上升时间可通过$C{SS}$进行编程。

4.4 热保护与功耗计算

当LDO的管芯温度超过热关断阈值时，器件会内部禁用，直到温度下降到热关断滞后值以下才会重新启用。热关断功能可防止器件因过热而损坏。功率耗散可通过公式$P{DIS }=\frac{T{J}-T{A}}{R{\theta JA}}$ 或$P{DIS }=\frac{T{J}-T{B}}{R{\theta JB}}$ 计算，其中$T{J}$为结温，$T{A}$为环境温度，$T{B}$为板温度，$R{\theta JA}$和$R_{\theta JB}$分别为结到环境和结到板的热阻。通过这些公式，我们可以计算出最大允许的功率耗散和负载电流，避免器件过热。

4.5 PCB布局建议

为获得良好的LDO稳定性和最佳的瞬态、PSRR和输出电压噪声性能，应将输入和输出电容尽可能靠近器件引脚放置，PCB走线应宽而短，并将电容放置在与LDO相同的PCB铜层上，避免通过过孔连接。对于高阻抗的ADJ/FF和SS引脚，应防止其走线与应用中的任何开关信号发生电容耦合。GND引脚和外露焊盘必须连接到PCB的GND平面，以实现良好的功率扩散。

5. 总结

NCP731是一款性能出色的LDO稳压器，具备低噪声、低静态电流、快速瞬态响应等优点，适用于多种对电源稳定性要求较高的应用场景。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电容、设置输出电压、考虑启动过程和热保护等因素，并遵循PCB布局建议，以确保稳压器能发挥最佳性能。你在使用LDO稳压器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。