低压差线性稳压电源（LDO）原理、参数及应用

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前言

这篇介绍低压差线性稳压电源，电源的重要就不用多说了，很多时候电源设计的好，可以直接将这套系统参数提升几个量级。我做的项目里边，由于电源改进得当，直接将整个项目的结果提升了一个量级。这里先详细介绍低压差线性稳压电源，因为我做的项目精度要求比较高，所以用的都是线性稳压电源，开关电源我后面也会介绍。

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一、低压差线性稳压电源是什么？

首先这是一种直流转化为直流的器件。低压差，这是相对于传统的线性稳压器，传统的线性稳压器可能需要输入电压比输出电压高２～３V，否则输出的电压就不是我们想要的目标电压，参数会变差。而LDO则只需要２００～３００ｍＶ就行，低的电压差，就意味着电源少的发热，就意味着电源转化效率的提升。
　　线性说的是指器件的工作状态，器件内部的模块工作在放大区，放大状态呈现线性关系。它只能降压，不能升压，消耗的能量大部分通过热量耗散掉。

二、LDO工作原理

LDO内部电路一般包括：基准电压、分压取样电路、误差放大电路、调整电路四个模块。如图１所示，当输出电压由于负载的变化而导致电压变小时，采样电路通过取样电路，误差放大器（运算放大器就可以实现）负向端测得VF变小，而误差放大器的正向端测得基准电压源不变。误差放大器检测到两者之间的电压差，输出就一个正向差值电压，就会使流过三极管的电流增大，从而使负载端的电压升高，达到了调节输出电压的目的。这是最基础的模型，最理想的情况。但实际做好一款稳压芯片还是要考虑很多东西的，下面慢慢说到。

图１　LDO内部电路

基准电压源是整个电路核心部分，它给LDO芯片输出电压是否正确提供了一个比对标准。简单的基准电压源可以用稳压管做（参数要选择合适，加限流电阻，防止烧管子）。但这种的基准电压不稳定，受温度影响很大，现在基本都是用带隙基准电压源作为LDO芯片的电压标准，它能带来更好的参数。带隙基准电压源现在很多芯片都在用这个东西，看名字感觉很复杂，但其实原理很简单。它是利用具有正温度系数的电压产生器和具有负温度系数的电压Vbe，乘以合适的系数，使温度对它们整体的影响相互补偿，就可以做到零温度系数的基准电压源了。当它们的总电压等于硅管的能带隙电压1.22V（名字的由来）时，电路就会呈现零温度系数。这种温度补偿的思想很重要，很多电路都可以借鉴。

1.NPN稳压器

我们又可以按调整管的不同将稳压芯片分为NPN稳压器，LDO和准LDO芯片。NPN稳压器的结构如图2所示。可以看到，内部是通过一个PNP管来驱动NPN达林顿管（增益大，微弱的电流就可以驱动），输入和输出之间的压差至少为1.5V~2.5V，这个压差也是可以算出来：Vdrop=2Vbe+Vsat。Vsat为PNP的CE导通压降。压差大的话就会导致线性电源的效率不会高，有很多能量都是以热量的方式耗散掉，对于追求长续航，低功耗的移动端设备，这是无法忍受的。
　　
图2 NPN稳压器

2.LDO稳压器

LDO稳压器中，导通管只是一个PNP管，如图3所示。这样的话就会带来很低的导通压降，带来很小的能量损耗，满载的跌落电压（Dropout Voltage）的典型值小于500mV，轻载时的压降仅有10~20mV。LDO的压差为：Vdrop=Vsat（LDO稳压器）

图3 LDO稳压器

3.准LDO稳压器

准LDO稳压器就是介于NPN稳压器和LDO稳压器而得名，导通管是由单个PNP管来驱动单个NPN管，如图4所示。因此，它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO稳压器之间：Vdrop=Vbe+Vsat（准LDO稳压器）

图4 准LDO稳压器

单从跌落电压来看，LDO稳压器是最优选择，但衡量一款稳压芯片是否好用，不止从这一个角度来看，还要考虑接地电流（影响电压转化效率），环路控制是否稳定（对于高精度的电路这点至关重要），外围电路（目的就是为了环路稳定）的搭建复杂程度等都是衡量的标准。

接地电流受调整管的增益影响，负载电流一定时，调整管的增益越大，接地电流就越小。NPN稳压器的调整管为达林顿管，增益极高，所以它只需很小的电流就可以驱动负载电流，接地电流就会很小。LDO的接地电流就会很高，准LDO的接地电流介于两者之间。

除此之外呢，NPN稳压器最大的好处就是无条件的稳定，外围电路不需要额外的电容。而LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽及提供一些正相位转移补偿。通过引入电容加入极点，而电容的等效串联电阻（ESR）则加入了零点，只有引入合适的ESR才能对整个环路的稳定性有帮助，所以这就要挑选适合你外围电容的材质和型号。如果ESR不够的话，一般还要串联电阻，补偿环路零点。

引入电容电阻的目的就是补偿反馈回路，让它的相位翻转180°时，反馈为负，否则就会引起振荡（纹波大，输出电压不稳定）。理想的情况是环路增益为0dB时，附加相位大于-135°，距离-180°还有-45°。

一般来说，LDO的输出电容最好是钽电容，而且温度对钽电容的ESR影响会很小。而铝电解电容的ESR受温度影响很大，不适合做输出电容。陶瓷电容也可以作为LDO的输出电容，只不过要注意的是，大容值（>1μF）的陶瓷电容，通常它的ESR很小（<20毫欧）。如果使用陶瓷电容的话，还要串联电阻补偿ESR，推荐使用X7R或X5R电容（具有良好的温度稳定性和非常低的电压系数），挑选时一定要注意耐压值，一般电容的耐压值要比最大电压大两到三倍，留出一定的裕量。

4.场效应管（FET）作为导通管LDO

FET的导通阻抗更小，这样的话就可以使电源芯片的跌落电压更低，同时场效应管（三极管是电流控制器件，场效应管是电压控制器件）的栅极驱动电流极小，这样会带来极低的接地电流，整体的电源转化效率就会提升。同时对于集成的稳压器而言，在单位面积上制造的场效应管的导通阻抗会比双极性开关管的导通阻抗低。这样就可以在更小封装下输出更大的电流。

三、LDO的参数

1.裕量电压

裕量电压是指LDO满足其规格所需的输入至输出的电压差，数据手册一般将裕量电压作为指定其他参数时所用的条件。可以理解为，你想要达到芯片的参数指标，那么你的输入电压和输出电压之差要大于等于裕量电压，最好是大于，留有一定的裕量。

2.静态电流和接地电流

静态电流（IQ）是指当外部负载电流为零时，只为LDO的内部电路供电所需的电流。它包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流过温检测等的工作电流。IQ=Iin（空载时）。
接地电流（Ignd）是指输入电流与输出电流之差，这么看来，是一定包含静态电流的。低的接地电流可以最大程度地提高LDO的效率。
这两个参数要区分开来，静态电流是这个器件的固有属性，当它被生产出来，它的静态电流就固定了（不考虑器件的温漂和老化），但Ignd是受负载电流的影响，一般来说，负载电流增大，接地电流也会增大。

3.效率

LDO的效率由接地电流和输入/输出电压确定：

若要获得很高的效率，就必须最大程度地降低裕量电压和接地电流，此外还需要最大程度地缩小输入和输出之间的电压差。如果将5V的电压转化为3.3V，这样的LDO的效率不会超过66％，但如果是输入电压3.6V转3.3V，其效率将增加到最高91.7%。
LDO的功耗为前者为调整管产生的功耗，后者为接地电流功耗。

4.PSRR（电源抑制比）

简单地说，PSRR 衡量电路抑制电源输入端出现的外来信号（噪声和纹波），使这些干扰信号不至于破坏电路输出的性能。PSRR 定义为：PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)
其中，VEIN 和VEOUTT 分别是输入端和输出端出现的外来信号。对于ADC、DAC 和放大器等电路，PSRR 适用于为内部电路供电的输入端。对于LDO，输入电源引脚为内部电路供电的同时也为输出电压供电。PSRR 具有与直流输入电压调整率相同的关系，但包括整个频谱。
100 kHz 至1 MHz 范围内的电源抑制非常重要，因为LDO 经常跟高效的开关电源配合使用来为敏感的模拟电路供电。而开关电源的频率一般在这个范围。LDO 的控制环路往往是确定电源抑制性能的主要因素。同时大容量、低ESR 的电容也对电源抑制性能非常有用，特别是在频率超过控制环路增益带宽的情况下。
同时轻载时的PSRR优于重载时的。

5.线路瞬态响应

输入电压瞬态响应是指输入电压阶跃变化时的输出电压变化。它与LDO 控制环路的增益带宽以及输入电压变化的大小和速率有关。

6.负载瞬态响应

负载瞬态响应是指负载电流阶跃变化时的输出电压变化。它与输出电容值、电容的等效串联电阻(ESR)、LDO 控制环路的增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关

7.直流负载调整率

负载调整率衡量LDO 在负载条件变化时仍保持额定输出电压的能力。负载调整率定义：
负载调整率 = ∆VOUT/∆IOUT

8.直流输入电压调整率

输入电压调整率是衡量LDO 在输入电压变化时仍保持规定输出电压的能力。输入电压调整率定义为：
输入电压调整率 = ∆VOUT/∆VIN.

以及电压源的输出精度，输出噪声，最大电流，耗散功率等参数。

8.挑选时考虑的参数

1.当我们选择LDO电源芯片的时候，首先得明确我们目标电源是多少，即Vout电压，最好选择固定电压的，不要选择ADJ型号（可调节芯片）的，为了减少外围电路带来的干扰。
2.确定系统的最大输出电流Iout，要留出一定的裕量。
3.确定你的压差（Vin-Vout）是否大于芯片的裕量电压，这样才能满足芯片的参数要求。
4.确认PSRR，在低噪声的场合，或者上一级为开关电源，一定要选高PSRR的LDO，建议在80dB以上。
5.还要考虑芯片的耗散功率，适当计算一下你的系统是否会超过这个值。
6.对续航有要求的话还要挑选低的接地电流，低的静态电流。
7.还要挑选精度高，直流输入电压调整率低，负载瞬态响应快，输出噪声低的芯片，都要考虑。
8.对于AD芯片或者DA芯片需要的外部基准电压芯片，一般也是线性稳压芯片，在画PCB板时注意要将功率地和数字地，模拟地分离。外围需要电容补偿的芯片一定要好好读手册，ESR不够的情况，需要串联电阻，一定要多实验几组不同阻值的电阻。
9.考虑价格，是否容易买到，有无可替换产品。

四、总结

线性稳压电源就说到这里了，一款产品的电源设计永远是重中之重，设计时型号一定要好好挑选。画PCB板时也要考虑考虑注意的。好了就这些，如果大家看的有什么问题，欢迎提出。觉得不错的可以点个赞哦，你的鼓励就是我更新的最大动力。