一篇看懂LDO的工作原理及其設(shè)計(jì)LDO應(yīng)注意的問題

LDO工作原理

LDO是Low Dropout Regulator的縮寫，意思是低壓差線性穩(wěn)壓器，LDO是用來做什么的？對于一個(gè)電源來說，我們希望得到一個(gè)非常干凈的DC電壓，但是，負(fù)載的瞬態(tài)變化以及輸入紋波都是LDO需要考慮的干擾因素。 LDO使用誤差放大器來比較參考電壓和反饋的輸出電壓，通過調(diào)整功率晶體管的柵極電壓，來調(diào)整輸出電流大小。在等效電路模型中，LDO簡單地建模為一個(gè)可調(diào)電阻，確保當(dāng)輸入電壓和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)輸出電壓是穩(wěn)定的。

LDO使用閉合反饋環(huán)路來偏置傳輸元件，以維持其輸出端子上的恒定電壓。在圖 1 中，運(yùn)算放大器驅(qū)動 Q1 的基極，以確保其反相輸入端的電壓等于其非反相輸入端的參考電壓。

該電路中的運(yùn)算放大器具有較小的負(fù)載、基極電流和最小的電容負(fù)載。因此，它可以非?？焖俚仨憫?yīng)負(fù)載的變化。

從該示意圖中可以觀察到兩件事：

LDO是降壓轉(zhuǎn)換器，這意味著輸出電壓始終低于輸入電壓。事實(shí)上，V IN和V OUT之間存在允許LDO工作的最小電壓差。在數(shù)據(jù)表中，該值稱為壓差電壓。如果 V OUT > V IN - V DROPOUT，則LDO無法將輸出電壓調(diào)節(jié)到所需電壓。

功率消耗在傳輸晶體管中。功率量為P=(V IN -V OUT )*I LOAD。該功率被浪費(fèi)了。這種熱量會導(dǎo)致調(diào)節(jié)器變熱。

圖 1：LDO的內(nèi)部操作示例

LDO的優(yōu)點(diǎn)

LDO通常是高度集成的，包括傳輸元件和反饋環(huán)路。一些LDO（例如LM317）在與外部電阻分壓器一起使用時(shí)是可調(diào)的，并有以下優(yōu)點(diǎn)。

簡單的。

便宜的。

電源抑制比。線性穩(wěn)壓器對輸入電壓的變化做出快速響應(yīng)，產(chǎn)生輸入上幾乎沒有任何紋波的輸出電壓。

對負(fù)載電壓的變化做出快速響應(yīng)。

無開關(guān)噪聲。其他電壓轉(zhuǎn)換電路（稱為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器）具有高頻開關(guān)噪聲。線性穩(wěn)壓器不具備這個(gè)特性。

LDO的缺點(diǎn)

LDO的主要缺點(diǎn)是效率低下。這是由于傳輸元件兩端的電壓降造成的。這種低效率會導(dǎo)致線性穩(wěn)壓器過熱。注意您的應(yīng)用的預(yù)期散熱，并確保使用足夠的散熱或銅填充來控制溫升。如果需要高功率、高效率或升壓轉(zhuǎn)換器，請使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

LDO基本參數(shù)解釋

輸入電壓：規(guī)定設(shè)計(jì)輸入電源范圍。

靜態(tài)功耗：英文Quiescent Current，輸出電流為0時(shí)的輸入電流，即VOUT空載時(shí)輸入電流。好的LDO和差的LDO相比較，是在電源紋波抑制比PSRR差不多的時(shí)候，靜態(tài)耗流會更低。

關(guān)閉功耗：英文Shut down Current，使能腳拉低，VOUT=0V時(shí)，VIN上消耗的電流即為關(guān)閉功耗，一般在1uA以內(nèi)，越小越好。

電源紋波抑制比：英文PSRR，這個(gè)參數(shù)越大越好，代表抑制輸入紋波的能力越強(qiáng)，一般SPEC給出的是1KHz下的值，如：68dB@F=1KHz，LDO的最大的優(yōu)點(diǎn)之一是它們能夠衰減開關(guān)模式電源產(chǎn)生的電壓紋波，所以一般在100K到1MHz之間的PSRR非常重要，這也是為什么我們經(jīng)?？匆奃C-DC后面搭配一個(gè)LDO使用，敏感的模擬電源AVDD上，如ADC，Camera等，選擇高PSRR的LDO。

輸出電流：設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留50%的余量，實(shí)際運(yùn)用過程中，輸出電流的大小和輸入輸出電壓都有關(guān)系。

輸出電壓：分為可調(diào)和固定，根據(jù)實(shí)際情況選擇在，一般最好選擇固定的。

輸出電壓精度：一般是2%，還有5%的。

耗散功率：使用時(shí)LDO的消耗的功耗不能超過這個(gè)值，否則LDO可能會損壞。

地電流：英文Ground Current，指的是輸入電流和輸出電流的差值。指的是LDO正常工作狀態(tài)，在特定的負(fù)載下，LDO自身消耗的電流。

設(shè)計(jì)LDO應(yīng)注意的問題：

1、壓差

壓差是LDO的重要參數(shù)，它表示輸入與輸出之間的電位差，LDO的壓差越小越好。

但是當(dāng)輸入電壓不能滿足最小壓差的要求時(shí)，LDO就無法正常工作，此時(shí)誤差放大器會進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)，使環(huán)路的增益變?yōu)榱?，對?fù)載的穩(wěn)壓能力會變得很差，電源抑制比也大幅度降低，需要注意以下幾點(diǎn)：

第一：在LDO的參數(shù)表中可以有多個(gè)甚至多組壓差數(shù)據(jù)，例如在輕載、中等負(fù)載、滿載條件下壓差的最小值、典型值和最大值。

其中，典型值僅供設(shè)計(jì)時(shí)參考，最具有實(shí)際意義的應(yīng)是滿載條件下壓差的最大值，該參數(shù)值是在最不利的情況下測得的。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以此為依據(jù)，以便留出足夠的余量，確保LDO在最壞的情況下也能正常工作。

第二：為了可靠起見，有時(shí)可按Uin=Uout+△U+lV的關(guān)系式來選擇最低輸入電壓值，功率按1.5倍以上選擇有點(diǎn)浪費(fèi)。

但加上20%-30%的余量一點(diǎn)不為過，一般LDO的自損功耗為Pd_max=（Uin-Uout）*Iout。

第三：輸入一輸出壓差并非固定值，它隨輸出電流的增加而增大，隨溫度升高而增加。

2、最大輸出電流

最大輸出電流最大輸出電流是LDO的一個(gè)基本參數(shù)，通常，輸出電流越大，LDO的價(jià)格越高，LDO必須能在最不利的工作條件下給負(fù)載提供足夠的電流。

3、輸入電壓

輸入電壓要求輸入電壓必須大于額定輸出電壓與輸入一輸出壓差之和，即Uin>Uout+△U，否則LDO將失去穩(wěn)壓功能，輸出電壓會隨輸入電壓而改變，此時(shí)Uout就等于輸入電壓減去調(diào)整管導(dǎo)通電阻(RON)與負(fù)載電流的乘積，即Uout=Uin-RONI0。

4、輸出電壓

輸出電壓固定輸出式LDO的外圍電路簡單，使用方便，并且能節(jié)省外部取樣電阻分壓器的成本和空間。

其輸出電壓值在出廠時(shí)已趨于一致(僅限于通用電壓)，輸出電壓精度一般為±5％，這對于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠了。

新型LDO采用激光修正技術(shù)，精度指標(biāo)可達(dá)±1％～±2％。

特別需要注意產(chǎn)品說明書所給出精度指標(biāo)的適用條件，例如是在室溫下還是在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，是滿載條件下還是在中等負(fù)載或空載條件下。

可調(diào)輸出式LDO允許在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，若將輸出端與反饋端相連，使輸出電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，則最低輸出電壓一般為1.2V左右。

5、輸入電源

輸入電源有兩種類型，一種是直流電源，另一種是交流電源。

采用交流電時(shí)，首先要經(jīng)過電源變壓器和整流濾波器變成脈動直流電，然后給LDO提供輸入電壓，此時(shí)LDO的壓差已不再是關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)橥ㄟ^增加電源變壓器二次繞組的匝數(shù)，很容易提高LDO的輸入電壓，滿足LDO對壓差的需要。

6、靜態(tài)電流

靜態(tài)電流是指在空載條件下或關(guān)斷輸出時(shí)，LDO內(nèi)部流向地的總電流。

靜態(tài)電流越小，穩(wěn)壓器的功耗越低，在某些應(yīng)用中，經(jīng)常選擇待機(jī)模式將輸出關(guān)斷，此時(shí)電池的使用壽命就取決于靜態(tài)電流的大小。

最近推出的新型LDO，靜態(tài)電流可低至75～150μA，并且比普通LDO的穩(wěn)壓特性更好。

需要強(qiáng)調(diào)的是LDO的靜態(tài)電流不是一個(gè)固定值，它隨負(fù)載電流的增大而增加。但VLDO的靜態(tài)電流可近似認(rèn)為是恒定值。

7、LDO的附加功能

通/斷控制功能，允許使用機(jī)械開關(guān)、門電路或單片機(jī)來關(guān)斷LDO的輸出，使之進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式(亦稱備用模式)。

輸入電壓反極性保護(hù)功能用來防止當(dāng)輸入電壓極性接反時(shí)損壞LDO。

故障標(biāo)記輸出功能,當(dāng)輸出電壓(或輸入電壓)低于規(guī)定閾值電壓時(shí)，LDO能輸出故障標(biāo)記信號，微處理器在接收到此信號后，可及時(shí)完成數(shù)據(jù)存儲等項(xiàng)工作。

瞬變電壓保護(hù)功能，將LDO用于汽車電子設(shè)備時(shí)，需要對負(fù)載的瞬態(tài)變化(如突然卸載)進(jìn)行保護(hù)，一旦輸出端出現(xiàn)瞬變電壓，立即將輸出關(guān)斷，等瞬變電壓過去之后，又迅速恢復(fù)正常工作。

跟蹤能力某些多路輸出式LDO需要具有跟蹤能力，其中一路或幾路輔助輸出電壓能自動跟蹤主輸出電壓的變化，并及時(shí)調(diào)整自己的輸出電壓值，以減小各路輸出之間的相對變化量。

排序，所謂排序，就是在多個(gè)穩(wěn)壓電源構(gòu)成的電源系統(tǒng)中，使每個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出都能按照規(guī)定的順序接通或關(guān)斷。

在設(shè)計(jì)LDO時(shí)，如果能將以上七種因素都考慮在內(nèi)，那么你所設(shè)計(jì)的LDO無疑是最佳的。

如何選擇正確的LDO：

世界各地的 IC 制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了數(shù)量相當(dāng)驚人的超多線性穩(wěn)壓器 — 搜索表明有大約一萬種不同的零件。對于那些猶豫不決的人來說，如此眾多的選擇可能會有些問題。不過，總體而言，這種情況是有利的，因?yàn)樗刮覀兡軌蛘业綆缀踹m合特定應(yīng)用的 LDO。

然而，如果不了解 LDO 性能的一些不太重要的細(xì)節(jié)，您就無法徹底微調(diào)穩(wěn)壓器電路。我承認(rèn)，如果您僅根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓和最大負(fù)載電流來選擇部件，許多設(shè)計(jì)將完全發(fā)揮作用。但是，如果您的應(yīng)用需要低功耗或高精度等要求，那么您的選擇過程就需要更加復(fù)雜。

不是所有電流都流到地嗎？

在這個(gè)微型電子部件預(yù)計(jì)僅靠一塊電池就能運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)代，功耗是一個(gè)嚴(yán)重的問題。因此，了解 LDO 在將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出電壓的過程中會消耗一些電流非常重要。這種電流通常被稱為“接地電流”——考慮到各種電流都有返回接地節(jié)點(diǎn)的趨勢，我認(rèn)為這個(gè)術(shù)語非常模糊。更好的選擇是“接地引腳電流”，即通過接地端子直接從輸入端子流回電源的電流。

無論如何，您都必須將 LDO 的接地引腳電流納入您的功率預(yù)算，但這并不是特別簡單，因?yàn)榻拥匾_電流受輸入電壓和負(fù)載電流的影響。以下是Analog Devices部件號ADP3339的接地引腳電流規(guī)格：

這里要注意三件事：

“典型”和“最大”規(guī)格之間存在大約三倍的差異，在規(guī)劃“預(yù)期”與“最壞情況”功耗時(shí)需要牢記這一點(diǎn)。

接地引腳電流隨負(fù)載電流顯著增加；如果您的設(shè)計(jì)采用低功耗模式，其中穩(wěn)壓器提供的電流比正常操作期間少得多，則需要考慮到這一點(diǎn)。

在壓差狀態(tài)下運(yùn)行 LDO 會導(dǎo)致接地引腳電流增加。

這是接地引腳電流規(guī)格的另一個(gè)示例，這次以圖形形式表示。這取自Linear Tech 的LT3007系列數(shù)據(jù)表。

請注意較高的輸入電壓如何降低接地引腳電流。

靜電流

一個(gè)獨(dú)特但相關(guān)的規(guī)范是“靜態(tài)電流”。與“接地電流”相比，該術(shù)語的信息量非常大——“靜態(tài)”讓人想起“安靜”一詞，指的是不活動狀態(tài)，因此靜態(tài)電流是穩(wěn)壓器在不提供負(fù)載電流時(shí)消耗的電流。

以下是 LT3007 系列的靜態(tài)電流規(guī)格。

請注意，靜態(tài)電流隨著溫度的升高而增加：

一些作者使用“靜態(tài)電流”作為“接地電流”的另一個(gè)術(shù)語，但我認(rèn)為最好保持本文中使用的區(qū)別：“靜態(tài)”僅指穩(wěn)壓器在不工作時(shí)消耗的接地引腳電流。提供負(fù)載電流。

線路和負(fù)載

我很難想到僅僅為了供電而需要極其精確的電壓的情況；集成電路可以承受電源電壓的變化。然而，有時(shí)您確實(shí)希望通過使用現(xiàn)有的線性穩(wěn)壓器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓來降低成本或組件面積。在這種情況下，您需要仔細(xì)考慮可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器的實(shí)際輸出電壓偏離預(yù)期輸出電壓的各種因素。

毫不奇怪，不準(zhǔn)確的一個(gè)來源是穩(wěn)壓器標(biāo)稱 V OUT和實(shí)際 V OUT之間的初始差異，例如，“2.5 V”穩(wěn)壓器在輸入電壓和負(fù)載電流的特定組合下的實(shí)際輸出可能是2.45 V 至 2.55 V。為了最大限度地減少這種誤差源，您可以測量實(shí)際輸出電壓并相應(yīng)地修改硬件或固件，或者您可以簡單地選擇高精度 LDO（我見過初始精度高達(dá) 0.5% 的部件） ）。

然而，除了初始精度之外，您還必須考慮線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)。線路調(diào)整率是指輸入電壓變化導(dǎo)致輸出電壓變化的程度，負(fù)載調(diào)整率是指負(fù)載電流變化導(dǎo)致輸出電壓變化的程度。如以下 ADP3339 規(guī)格所示，線路調(diào)節(jié)可以以 mV/V 為單位表示（即，每伏輸入變化產(chǎn)生的輸出變化為毫伏），負(fù)載調(diào)節(jié)可以以 mV/A 為單位表示（即，每安培負(fù)載電流變化輸出變化毫伏）。

如果您至少對負(fù)載電流和輸入電壓有一個(gè)大概的了解，則可以使用線路和負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)格來更準(zhǔn)確地預(yù)測穩(wěn)壓器的輸出電壓。此外，您還可以通過考慮固件中的負(fù)載調(diào)節(jié)來補(bǔ)償負(fù)載電流的變化。例如，如果您有一個(gè)微控制器知道您的電路板何時(shí)處于低功耗狀態(tài)，它可以根據(jù)該特定狀態(tài)下的預(yù)期電流消耗修改應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的計(jì)算。

不要燒毀你的 LDO

線性穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中其他一些重要但容易被忽視的規(guī)格是與溫度限制和熱阻相關(guān)的規(guī)格：

設(shè)計(jì) LDO 可能過熱的電路比您想象的要容易。線性穩(wěn)壓器的熱設(shè)計(jì)中介紹了該主題。

審核編輯：劉清