硬件练习生系列（六）——LDO设计自学心得

一、LDO稳压原理

LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）是一种线性稳压电路，其核心功能是将输入电压转换为稳定的输出电压，且输入与输出之间的压差（Dropout Voltage）非常低（通常在几百毫伏以内）。

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1. 基本结构

LDO主要由以下关键模块组成：

• 调整元件（Pass Element）：通常为PNP或PMOS晶体管，负责调节输入到输出的电流。
• 误差放大器（Error Amplifier）：比较反馈电压与基准电压（(V_{ref})），控制调整元件。
• 基准电压源（Voltage Reference）：提供稳定的参考电压（如1.2V）。
• 反馈网络（Feedback Network）：固定输出LDO内置分压电阻，可调LDO需外接电阻。

 

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2. 工作原理

1. 低压差特性：

1. 当输出电压大于预期电压时，也就是反馈电压Vfb>Vref时，误差放大器做出相应调整，pmos管通态电阻增大，分压也增大，Vout减小，反之同理。

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3. 关键参数

1. 压差电压（Dropout Voltage）

1. 静态电流（Ground Current）

1. 电源抑制比（PSRR）

1. 负载调整率（Load Regulation）

1. 热关断（Thermal Shutdown）

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4. 典型应用

1. 输入滤波：储能：输入电源比较远时，电源到芯片之间会有寄生电感，输入电容可以使电路获得更好的瞬态响应，提供能量；滤波：滤除高频干扰和噪声；稳压：利用电容两端电压不能突变的特性，抑制输入电压造成纹波和瞬态电压造成的变化
2. 输出滤波：同输入电容
3. 热管理：压差较大或负载电流较高时，需计算功耗(P = (V_{in} - V_{out}) \times I_{load})，确保芯片结温不超过限值。

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5. LDO与普通线性稳压器的区别

特性	LDO	传统线性稳压器
压差电压	低（0.1~0.5V）	高（1~2V）
调整元件	PMOS/PNP	NPN
效率	输入电压接近输出时效率高	压差大时效率低
适用场景	电池供电、低噪声精密电路	输入电压较高的普通电路

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6. 优缺点

• 优点：
  • 输出噪声低，适合模拟电路（如ADC、传感器供电）。
  • 无开关噪声，EMI小。
  • 电路简单，成本低。
• 缺点：
  • 效率低（压差大时发热严重）。
  • 仅支持降压，无法升压。

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7. 选型要点

1. 输入/输出电压范围：确保输入电压≥（(V_{out} + V_{dropout})）。
2. 负载电流：选最大输出电流略高于实际需求（如500mA负载选1A型号）。
3. PSRR：高频应用（如射频电路）需高PSRR（如60dB@1MHz）。
4. 封装与散热：大电流场景选带散热焊盘的封装（如SOT-223）。
5. 电阻选型：先通过公式Vout=Vadj（1+R1/R2)算出比值，然后确定一个典型的值给其中一个电阻，另一个通过比值得出，一般都是千欧级别，输出电压要精准所以阻值不能偏差太大；再考虑功率，先通过P=U^2/R算出两个电阻的实际功率，这时候一定要注意降额曲线，一般额定功率要大于实际功率的两倍以上，然后通过功率确定封装的选取，一般选取0402，因为要考虑PCB布线时的面积问题，除非耐压，功耗不够；精度：一般分压电阻选1%的，其他选5%的；此外还要考虑额定电压，温度范围。
6. 电容选取：

1、容值要考虑自身的精度误差、温度影响和直流偏压特性

2、额定电压要留有余量，至少50%

3、电容类型：根据数据手册推荐使用X5R or X7R获得更好的温度稳定性

4、ESR：一般越小越好，但要考虑成本。

5、封装：满足耐压和容值的情况，封装越小越好，一般0402.

补充：

当输入电容取值过小时，可能无法保证纹波大小在设计范围内达到稳压的作用，同时也无法给负载提供足够能量，起到该有的储能作用。

当输入电容取值过大时主要有以下影响：

1、因为电容在上电瞬间为短路状态，所以容值越大，上电瞬间启动电流越大。如果电流大到电源芯片的短路保护电流可能会造成芯片工作异常进入保护状态。

2、容值越大，充电时间越长，输出电压的建立时间也越长。

3、容值越大，封装一般也会越大，PCB面积也会越大

4、容值越大，稳压效果过于好，动态响应变化缓慢。

1. 此外还需考虑芯片的功耗计算，效率计算，和结温计算，一般数据手册都有数据代入计算即可。

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总结

LDO通过反馈控制调整元件的导通程度，实现低压差下的精准稳压，是低噪声、小尺寸电源设计的核心器件。理解其工作原理和参数，可帮助合理选型并优化电路性能。

主要通过配置R1,R2电阻阻值来配置输出电压（也就是反馈电压）Vfb，当Vfb<参考电压的时候，误差放大器会提升电流增大Vout，当Vfb>参考电压的时候，误差放大器会降低电流，减少Vout。

但是一般不用电流作为分析对象，因为负载对电流的瞬态能力是不变的，当输出电压大于预期时，pmos管的通态电阻会增大，分压变多，Vout减小。