LDO基本原理與關(guān)鍵參數(shù)

1.LDO基本原理

LDO是Low Dropout Regulator的縮寫，意思是低壓差線性穩(wěn)壓器。

低壓差 是指輸入電壓-輸出電壓的值比較低。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器壓差高達2V，而LDO的壓差只有幾百mV。

線性 是指PMOS基本處于線性工作狀態(tài)（傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器是PNP原理，也工作在線性放大狀態(tài)）。

穩(wěn)壓器 是指在正常的VIN范圍內(nèi)，輸出VOUT都穩(wěn)定在一個固定值，這個固定值就是我們想要的電壓值。比如VIN是電池電壓3~4.4V，VOUT始終保持2.7V輸出。

下圖是一個簡單的LDO原理框圖：

LDO是一個負反饋系統(tǒng)，當VOUT增大，R2上電壓增大，放大器輸出電壓增大，PMOS的VGS電壓減小，這樣PMOS輸出電流減小，電壓也減小。所有的LDO都是同樣的負反饋原理。

我們經(jīng)常拿LDO與DCDC做對比，兩者的原理差別很大，特性也不一樣：LDO簡單，功率小，效率低，噪聲非常低。DCDC復雜，功率大，效率高，噪聲也很高。

重點說明一下，LDO有非常好的噪聲隔離作用，具體指標是PSRR，它表示輸出噪聲對輸入噪聲的比值。在一些對噪聲敏感的電路中，如ADC，DAC，Camera sensor模擬電壓等，必須選擇LDO，而且是高PSRR的LDO，而不是DCDC。下文解釋一些LDO的關(guān)鍵技術(shù)指標。

2.LDO關(guān)鍵參數(shù)的理解

以TOSHIBA的TCR3DG系列LDO為例，解釋一下LOD的各項參數(shù)指標。這個系列的LDO在手機行業(yè)應(yīng)用非常多。

2.1壓差（Drop-out Voltage）

壓差是指保證VOUT輸出電壓、電流情況下，VIN與VOUT的最小電壓差。這個壓差可以理解為LDO輸出電流在PMOS上的壓降。PMOS有導通電阻，假設(shè)VIN=3.4V，VOUT=3.2V，輸出電流300mA，則可以推算出PMOS的內(nèi)阻是

LDO工作必須滿足壓差要求，但壓差不是一個固定值，它與IOUT大小有關(guān)。下圖是一個VOUT=1V的LDO的輸出電流與壓差要求的關(guān)系曲線，可見輸出電流越小，對壓差要求也越小。壓差越小，LDO的效率越高。所以盡量不要讓LDO工作在接近極限的大電流狀態(tài)，否則效率很低，LDO發(fā)熱嚴重，容易燒毀。

2.2效率

LDO效率定義如下：

其實IOUT和IIN基本是相等的，因為IIN就比IOUT多了個IGND，這個電流非常小，幾乎可以忽略。所以效率公式簡化如下。

可以簡單把LDO看做是一個穩(wěn)壓管，壓差越小，LDO的效率越高。

2.3靜態(tài)電流（IQ）

靜態(tài)電流Quiescent Current是外部負載電流為0時，LDO內(nèi)部電路供電所需的電流。內(nèi)部電路包括帶隙基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流和過溫檢測電路。這個電流經(jīng)過從LDO的GND流出。

靜態(tài)電流受溫度和輸入電壓影響較大，高性能的ADI品牌LDO可能做到靜態(tài)電流對溫度電壓不敏感。下面兩幅圖是一個普通的LDO靜態(tài)電流隨VIN和溫度變化的曲線。常溫下靜態(tài)電流一般在uA和nA級別。

當輸出電流增大時，這個時候的靜態(tài)電流IQ，我們稱期為IGND，某些大功率的LDO，IGND也到了mA的級別：

大部分LDO的IQ很小，它是衡量LDO在低負載情況下的自身消耗的一個重要指標，IQ越小越好。在消費類電子領(lǐng)域，低IQ有利于更長的續(xù)航時間，低IQ值顯得尤為重要。

2.4關(guān)斷電流

LDO的輸出使能管腳ENn拉低后，VOUT=0V，此時VIN上消耗的電流就是關(guān)斷電流IQ（OFF）。關(guān)斷電流最高不會超過幾個uA。

2.5負載瞬態(tài)響應(yīng)

負載電流IOUT階躍變化時，輸出電壓VOUT的變化率。它與輸出端的電容值，電容的ESR，LDO控制環(huán)路的增益帶寬以及負載電流變化的大小和速率有關(guān)。文章開頭已經(jīng)講了，LDO是一個負反饋回路，其相位裕量越大，負載的瞬態(tài)響應(yīng)越好。下圖是ADP165和TCR3DG的瞬態(tài)響應(yīng)對比。第一幅圖VOUT電壓變化了約5.7%，第二幅圖VOUT變化了2.6%。東芝的LDO勝出。

有些廠家用電流負載調(diào)整率來表示這個值，公式如下：

負載調(diào)整率=?VOUT/?IOUT

道理是一樣的。

這個指標對輸出紋波有影響，越小越好。

2.6線路瞬態(tài)響應(yīng)

表示VIN階躍變化，VOUT的變化情況，如下圖。輸出電壓偏差顯示了環(huán)路帶寬和PSRR的特性，對于1.5us內(nèi)的2V變化，輸出電壓變化約2mV，表明1KHz是PSRR約為60dB。當VIN緩慢變化時，可能只會看到一個凹陷，沒有振鈴。

有些規(guī)格書稱這個指標為電壓負載調(diào)整率，并給出了公式，電壓負載調(diào)整率=?VIN/?VOUT。道理是一樣的。

Line Transient Response 隨負載電流增加而變差，因為LDO的總環(huán)路增益不斷降低。此外，LDO的功耗也隨著電壓差的增大而增加，這會導致PMOS結(jié)溫升高而使帶隙電壓和內(nèi)部失調(diào)電壓降低。

這個指標對輸出紋波有影響，越小越好。

2.7電源抑制比PSRR

表示LDO對VIN上的噪聲的抑制能力，公式如下：

100K到1MHz內(nèi)的PSRR非常重要，這個是DCDC的噪聲頻率范圍，LDO經(jīng)常作為DCDC的下一級，要有能力濾除來自DCDC的大量噪聲。

在ADC，DAC，Camera的AVDD供電上，我們要選擇PSRR大于80dB（@100Hz）的LDO。

LDO的環(huán)路控制往往是確定電源抑制性能的主要因素，同時大容量，低ESR的電容對電源一直也非常有用，建議選擇陶瓷電容。

PSRR與頻率有關(guān)，LDO的規(guī)格書一般會給出幾個頻點的PSRR值。

PSRR與IOUT有關(guān)，通常情況下，輕載的PSRR高于重載。PSRR與LDO的相位裕量也有關(guān)系，

2.8輸出噪聲電壓

恒定輸出電壓電流，VIN上無紋波，給定范圍內(nèi)（10Hz~100KHz），VOUT上的噪聲電壓RMS。這部分噪聲主要來自于LDO內(nèi)部基準電壓源和誤差放大器。如下是某LDO的噪聲水平，通常在uV級別。

LDO輸出噪聲的另一種表示方式是噪聲頻譜密度。只有高精度，低噪聲電路上才需要關(guān)注這個參數(shù)。

2.9 自放電功能

LDO關(guān)閉后，負載電容上仍然后電量。LDO在下次輸出時，會因為這個電量，產(chǎn)生一個快速的Voltage Spike，雖然幅度不高，但對后級電路也會有破壞性。帶自放電功能的LDO能在LDO關(guān)閉輸出后，泄放輸出電容上的點電量。

3.LDO的輸出穩(wěn)定性要求

LDO是一個負反饋系統(tǒng)，VIN和VOUT上的電容值，ESR都會影響這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最主要是ESR在影響穩(wěn)定性。在LDO的規(guī)格書中，都會列出對輸入電容CIN和輸出電容COUT以及ESR的要求。一定要遵守這個要求。

TCR3DG規(guī)格書中要求COUT的ESR不得大于10Ω，位置靠近LDO，沒有其他明確要求，但是推薦CIN和COUT都用1uF。

ADP165規(guī)格書中要求CIN和COUT最小值0.7uF，ESR在0.001~0.2Ω之間。

LP5907SNX-1.8的規(guī)格書要求CIN＞0.7uF；COUT=1uF-10uF，ESR=0.005~0.5Ω。

所以幾乎每一家的LDO，CIN和COUT都要求1uF以上，ESR越低越好，最好小于100mΩ，但也不能太小，低于幾個mΩ也可能使LDO工作不穩(wěn)定。

4.LDO選型參考

確定輸出電壓VOUT，建議選擇固定輸出電壓的，不要選有ADJ功能的，這樣節(jié)省器件，降低干擾。

確定輸出電流IOUT，至少留25%裕量。

確定壓差是否合適，一定要查看規(guī)格書上，對應(yīng)最大電流的最小壓差要求。

確認封裝，手機上一般用1x1 CSP的LDO

確認PSRR，如果用在低噪聲場合，一定要選擇高PSRR（80dB以上）的LDO，建議在80dB以上。

如果是電池供電，對續(xù)航要求很高，一定要選擇IQ低的LDO。

注意LDO的CIN和COUT要求，千萬不要錯。

如果要快速響應(yīng)，可以選擇帶偏置電壓的LDO。

5.PMU的LDO類型

MT2503平臺的PMU的11個LDO輸出中，有給RF Amplifier供電的低噪聲LDO，有在待機時不下電的低靜態(tài)電流LDO。有在關(guān)機后仍然會工作的給RTC供電的超低靜態(tài)電流LDO。

審核編輯：湯梓紅