LDO線性穩(wěn)壓器電路圖講解

線性穩(wěn)壓器 Linear regulator，我們一般稱(chēng)為 LDO。LDO 是英文 Low Drop Out 的首字母縮寫(xiě)，其中的 Drop Out是指線性穩(wěn)壓器輸入端到輸出端之間的電壓差，前面加了一個(gè) Low 之后，其詞性就變成了一個(gè)形容詞，形容此線性穩(wěn)壓器在工作中可以在很小的電壓差下輸出穩(wěn)定的電壓，但可能是由于說(shuō)“低壓差線性穩(wěn)壓器”太復(fù)雜了， LDO 就變成了它的代名詞。在實(shí)際的線性穩(wěn)壓器中，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能的關(guān)鍵組件是一個(gè)調(diào)整管，它就像一個(gè)可變電阻一樣串接在供電源和負(fù)載之間，當(dāng)輸入電壓或是負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，受誤差控制電路驅(qū)動(dòng)的調(diào)整管就及時(shí)調(diào)整其呈現(xiàn)出來(lái)的電阻量，使得負(fù)載端的電壓總是處于恒定狀態(tài)，下圖展示了這一系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

從上圖中我們可以看到，線性穩(wěn)壓器的壓差 (Drop Out) = Vin - Vout = Iout * R，其中 Iout 是由負(fù)載決定的， R 則是調(diào)整管本身的特性，只有 R 可以足夠小，壓差才可以足夠小，所以最小的 R 就成了器件的關(guān)鍵特性之一。但要測(cè)量一個(gè)器件的最小 R 可不容易，這項(xiàng)指標(biāo)就被轉(zhuǎn)化為一定負(fù)載電流下的最小壓差，這不過(guò)是歐姆定律的一項(xiàng)簡(jiǎn)單應(yīng)用而已，所以已被廣泛接受。

要用最低的成本實(shí)現(xiàn)最小化的 R，最好用的方法是采用 nMOSFET 來(lái)做調(diào)整管，但 nMOSFET 需要使用高于其源極的電壓去驅(qū)動(dòng)其柵極，這樣就需要使用高于輸出電壓至少 1V 以上的電壓源來(lái)做驅(qū)動(dòng)。

但在很多系統(tǒng)中，我們可能沒(méi)有更高電壓的電壓源可供使用或是使用起來(lái)不方便，這時(shí)就只有單一的電源供應(yīng)了。在此情況下繼續(xù)采用 nMOSFET 作為調(diào)整管就意味著輸入輸出間的壓差必須高于 1V，為了擺脫這種限制，采用 pMOSFET 做調(diào)整管的器件就成了市場(chǎng)上的主流，因?yàn)樗尿?qū)動(dòng)電壓是低于輸入電壓的，而成本也是接近最優(yōu)化的。下圖顯示了這種穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)：

以上兩種形式的 LDO 都是 MOS 工藝的產(chǎn)品，在性?xún)r(jià)比方面是無(wú)與倫比的，又能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需要，所以成為了目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。但使用 MOS 工藝設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品卻也有自己難以克服的一些缺陷。例如，在 MOS 工藝的 LDO 中存在從輸出端到輸入端之間的寄生二極管。當(dāng)輸入端電壓低于輸出端電壓時(shí)，將有電流從輸出端經(jīng)此二極管流向輸入端，當(dāng)流入輸入端的電荷累積起來(lái)形成的電壓超過(guò)器件的啟動(dòng)電壓時(shí)，其調(diào)整管甚至?xí)M(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這種效應(yīng)在某些情況下可能是不希望發(fā)生的。這時(shí)我們常常需要加入防反向二極管。

接下來(lái)我們以一款LDO RT9068為例，講講LDO的典型應(yīng)用。芯片內(nèi)部圖如下：

RT9068是一款高耐壓，低靜態(tài)電流的LDO,最小壓差300mV.這些特點(diǎn)，使得它可以滿足很多環(huán)境苛刻的應(yīng)用的需要，例如車(chē)載電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、電池供電設(shè)備等。

LDO 自身的發(fā)熱量是由它的功耗決定的，其計(jì)算公式如下：

其中， PD 是器件自身的功耗，單位是 W；Vin 是輸入電壓，單位是伏特，計(jì)算時(shí)需要用可能的最高輸入電壓數(shù)據(jù)；Vout 是輸出電壓，這是在選型和設(shè)計(jì)時(shí)確定的；Iout 是輸出電流，單位是安培，同樣需要使用可能的最大輸出電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算；IQ 是器件的靜態(tài)電流。由于 IQ 非常小，所以此計(jì)算公式可以被簡(jiǎn)化為如下：

可能是出于滿足寬輸入電壓范圍的考慮， RT9068 在設(shè)計(jì)上僅考慮為負(fù)載提供 50mA 的電流。我們從前面的功耗計(jì)算公式中可以看到，在輸入電壓很高的情況下，小小的電流就會(huì)造成很大的功耗，所以我們通常并無(wú)必要提供大電流輸

出能力，真有這樣的需求時(shí)，我們完全可以采用 Buck 架構(gòu)的降壓電路來(lái)滿足很多應(yīng)用的需求，甚至 Buck + LDO 的架構(gòu)也可以被考慮，但由于 Buck 的引入，開(kāi)關(guān)噪聲也被引入了，這在某些應(yīng)用中可能是不能容許的，這時(shí)候就必須使用大電流的線性穩(wěn)壓器。此時(shí)，下述電流擴(kuò)展電路可以派上用場(chǎng)：

上圖是一個(gè)電流擴(kuò)展電路，通過(guò)外接的晶體管將電流擴(kuò)展到能夠滿足實(shí)際需要的水平。由于大電流晶體管的電流放大系數(shù)通常不是很大， RT9068 輸出的最大 50mA 的額定電流不一定能滿足晶體管驅(qū)動(dòng)的需要，這時(shí)，你就需要使用達(dá)林頓

晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)此電路。

下圖是加入限流功能的電流擴(kuò)展電路

上圖電路的限流功能是通過(guò) R3 的負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電流流過(guò)R3時(shí)形成的電壓降使得落在晶體管基極和Vout之間的電壓不能使得其電流再增加時(shí)，限流作用就呈現(xiàn)出來(lái)了。也就是說(shuō)晶體管基極和Vout之間的電壓被兩個(gè)二極管給鉗位了，也就是R3上的電壓降被限制了，即R3上的電流被限流了。設(shè)計(jì)時(shí)要注意晶體管基極到最后的輸出端之間的電壓是被兩個(gè)串聯(lián)的二極管所鉗制的，如果 RT9068 試圖通過(guò)提高其 VOUT 端的輸出電壓來(lái)增加輸出電流，其增加的輸出就會(huì)通過(guò)兩個(gè)二極管流向 VOUT 端，從而使得這一愿望落空。如果沒(méi)有這兩個(gè)二極管的存在，上述的限流作用是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，限流電路的加入也帶來(lái)了不足，那就是輸入輸出端之間的最小壓差加大了，這在某些應(yīng)用場(chǎng)合中可能帶來(lái)了新的限制，改善這一參數(shù)的方法是選擇具有合適正向壓降的二極管和其他的配套參數(shù)。有興趣的朋友還可以去嘗試其他方法，例如使用運(yùn)算放大器來(lái)做電流反饋就是更有效的方法，只是這樣的設(shè)計(jì)就更復(fù)雜了。

作者：喝枸杞論電子

　　審核編輯：湯梓紅