LDO线性稳压器相关信息

LDO

一. LDO的基本介绍

LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。

LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右；与之相比，使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。负输出LDO使用NPN作为它的传递设备，其运行模式与正输出LDO的 PNP设备类似。

更新的发展使用 MOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

DC-DC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器，包括LDO。但是一般的说法是把直流变（到）直流由开关方式实现的器件叫DCDC。

LDO是低压降的意思，这有一段说明：低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA（TI的TPS78001达到Iq=0.5uA），电压降只有100mV(TI量产了号称0.1mV的LDO)。 LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力， 输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。

如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。

如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的DCDC了，因为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大.

电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

近几年来，随著半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次，对于中小功率的应用，可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高到1MHz，还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

总的来说，升压是一定要选DCDC的，降压，是选择DCDC还是LDO，要在成本，效率，噪声和性能上比较。

二.LDO原理分析

根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。此外，还有一种使用稳压管的小电源。这里说的线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管是工作在开、关两种状态下的。简单介绍下分类：

NPN稳压管：内部用一个PNP管控制达林顿调整管。 LDO稳压管：调整管是一个PNP管。

Squasi-LDO：调整管是由一个PNP管控制一个NPN管 LDO（low drop output）低压差线性稳压器

LDO的工作原理是通过反馈调整MOSFET的Vsd压降以使输出电压不变。输出电压纹波小，电流也较小，用于RF模块或音频模块等对电压要求高的电路。特点是成本低噪音小。缺点是效率低，输出电流小，只能用在降压的场合。必须要注意，为了达到稳定的回路就必须使用负反馈。

下面这是LDO S-1167 Series的基本原理图。

该电路主要是由串联调整管、取样电阻、比较放大器组成。取样电压加在比较放大器的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和串联

调整管回路反应速度的限制。环路内的负反馈总是强制比较放大器调节输入两端的电压使其相等。

稳压管的另一个重要的指标就是稳定性，在我们的设计线路中常常看到在其输出端会有大大小小的电容，其作用是什么呢？下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性。 前面提到过三中稳压管： 1.NPN稳压管

例如：LM340 LM317 比较老的3端稳压管 2.LDO稳压管

例如：S-1167 Series 3.准LDO稳压器

三种稳压器的最大区别在于压降和接地引脚电流。很明显NPN和准LDO的稳压管在调整管上稍微复杂点，所以压降也大些。达林管的增益很高，所以只需要很小的电流就可以驱动，准LDO也是这样，IGND很小。PNP管的放大系数一般是15-20，LDO的IGND电流能达到负载电流的7%。 NPN稳压管的最大好处就是无条件的稳定（大多数不需要加外接电容），LDO则需要在输出端加上电容，以减少回路带宽及提供些正的相位补偿。

所有的稳压器都使用负反馈回路以保持输出电压的稳定。但反馈信号在通过回路后都有一定的增益和相位变化。如果反馈信号相位有180度变化，负反馈就会变成正反馈，造成输出不稳定。因此反馈信号经过整个回路的相位偏移，需要有至少20度的相位裕度，这样才能保证电路的稳定。（相位裕度定义为回路总的相位偏移与-180度的差）。

环路的不稳定来自于相位移量，我们可以在反馈回路中通过变压器注入正弦小信号，如下图所示,Loop Gain=Va/Vb,从Vb传入交流小信号，同过回路产生相移到达Va。这样可以计算回路增益，相位的偏移量。（此处以LDO分析）。

可以通过网络分析仪来测量回路增益，它通过向网络回路注入低电平的正弦波，然后从直流信号扫描到使增益下降到0dB的频率来测量增益的响应。 下面以一幅波特图具体分析反馈回路的增益及相位变化情况。

概念：

极点 增益曲线出现-20dB/10倍频变化的点 零点 在增益与相位上的效果与极点相反。 极点相移=-arctan（f/fp） 零点相移=arctan（f/fz）

假设直流增益为80dB（10-100Hz处的增益），100到1KHz增益减少了20dB，10K-100KHz增益减少20dB，100K-1MHz增益减少40dB（斜率有-20dB/10倍频的变化）。图中可以看出

有3个POLE，一个ZERO。1MHz处的增益是0dB，说明1MHz的小信号在此截止，此回路的带宽就是1MHz。

从这个波特图能看出这个系统稳定么？前面说了系统是否稳定主要看相位移量，而我们只要看在0dB时的相移就可以了（图中是1MHz）。

上图中有3个极点和1个零点，前两个极点产生-180度相移，零点产生90度相移，最后一个极点在40dB到0dB处，斜率为-40dB/10倍频。根据极点相移公式-arctan（f/fp）=-arctan(10)=-1.47,换算成角度为-84.3度。所以总的相移为-180+90-84.3=174.2度。前面说到相位裕度等于｜-180+174.2｜=5.8<20. 所以此回路不稳定。

看似上面的分析比较复杂，其实是自动控制理论里面的传输函数和根迹图的概念.简单的说,一个(线形)系统是否稳定(不会产生振荡)取决于它的传输函数的极点分布.(极点的实部必须小于零),而且极点实部负数的绝对值越大,系统越稳定.我们就可以通过增加极点或是零点来调节相位裕度，从而使系统达到稳定。

调节LDO系统的稳定性，最常见的补偿方法是在系统中插入零点来取消相移和极点。由于 LDO 已经就正常运行要求了一个输出电容器,因此使用输出电容器的ESR通常就是最简单也最廉价的生成零点的方法。等效串联电阻（ESR）是每个电容都具有的几个基本特性。可以看为电阻和电容的串联等效电路。

输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，用来减少过量的负相移。增加系统的带宽，使更稳定。零点处的频值：

Fzero = 1/（2πxCoutxESR）

假设一个LDO系统在0dB时的截止频率是30kHz。在其输出端增加输出电容为10uF，输出电容的ESR=1ohm。则在16kHz处产生零点。

一般的LDO会由负载阻抗、输出容抗等自身产生一些极点。图中有3个极点（具体由来就不做分析，可由网络分析仪扫描出），但有1个Ppwr在0dB之后的频段，也就是带宽之外，可以不考虑。从上面两幅波特图的对比看出，第二张图增益曲线，当增加了输出电容后，从80dB到0dB变得更平缓些。系统的带宽大概从40KHz增加到100KHz左右。相位裕度也相应的增加。

那么系统对ESR又有什么要求呢？比如此例中设ESR=20ohm，则零点频率会降低到Fzero=800Hz，使系统的带宽增加到2MHz，从整个的波特图我们发现在100K到2MHz之间又多了一个极点Ppwr。这就意味着系统又有了-90度的相移，零点就失去了其意义。那么ESR是不是越小越好呢？设ESR=50mohm。零点频率会降到320kHz。不用看就知道，系统地稳定性基本没改变，因为系统的带宽就是40KHz，增加的零点频率为320KHz已经超出了带宽。

综上所述，在输出端加入输出电容是为了补偿LDO稳压器的。所以选择的电容ESR要求要严格，首先要符合系统的回路频率特性，同时也要有较好的温度特性，不能随温度变化而变化过大。频率响应也是重要的指标。这点钽电容是比较好的选择。（ESR是指在一定温度下的某个频率下的最大阻值，厂商一般定义为25摄氏度100KHz）。 三.LDO的相关参数

1．输出电压(Output Voltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂家精密调整的，所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求，但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2．最大输出电流(Maximum Output Current)

用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3．输入输出电压差(Dropout Voltage)

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V电压，就能使输出电压稳定在5.0V。 4．接地电流(Ground Pin Current)

接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流，但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时，这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。 5．负载调整率(Load Regulation)

负载调整率可以通过图2-1和式2-1来定义，LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图2-2 Output Voltage&Input Voltage

其中Vload—负载调整率 Imax—LDO最大输出电流

Vt—输出电流为Imax时，LDO的输出电压 Vo—输出电流为0.1mA时，LDO的输出电压

V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差 6．线性调整率(Line Regulation)

线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义，LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。

Vline—LDO线性调整率 Vo—LDO名义输出电压 Vmax—LDO最大输入电压

V—LDO输入Vo到Vmax'输出电压最大值和最小值之差 7．电源抑制比(PSSR)

LDO的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。 四.LDO的用途以及注意事项

低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示。图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器，如图3-1(b)所示。低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。

众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，如图2-3(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互

相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此，要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图3-1(d)所示。

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