LDO线性稳压器详解

一、什么是ldo
　　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 CMOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS，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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：Vout=（R1+R2）/R2 &mes;Vref
　　实际的低压差线性稳压器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。
　　二、LDO塬理分析
　　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的工作塬理是通过反馈调整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的基本塬理图。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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，其作用是什幺呢？下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性。 前面提到过叁中稳压管：
　　1、NPN稳压管
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　例如：LM340 LM317 比较老的3端稳压管
　　2、LDO稳压管
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　例如：S-1167 Series
　　3、准LDO稳压器
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　叁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）。
　　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 Regulaon）
　　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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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 Regulaon）
　　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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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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　　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 CMOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS，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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：Vout=（R1+R2）/R2 &mes;Vref
　　实际的低压差线性稳压器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。
　　二、LDO塬理分析
　　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的工作塬理是通过反馈调整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的基本塬理图。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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，其作用是什幺呢？下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性。 前面提到过叁中稳压管：
　　1、NPN稳压管
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　例如：LM340 LM317 比较老的3端稳压管
　　2、LDO稳压管
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　例如：S-1167 Series
　　3、准LDO稳压器
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　叁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）。
　　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 Regulaon）
　　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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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 Regulaon）
　　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。
　　ldo线性稳压电源_LDO线性稳压器详解
　　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。l/9_7988.html