電源系列1：LDO原理詳細(xì)介紹（一）

原文來自公眾號：硬件工程師看海

公眾號后臺回復(fù)：LDO仿真文件

1. 前言

目前市場上無論什么電子產(chǎn)品，只要涉及到電就必須用到電源，電源的分類有很多種，比如開關(guān)電源、逆變電源、交流電源等等。在移動(dòng)端消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，常用的有DCDC電源和LDO電源兩種，DCDC的優(yōu)點(diǎn)是效率高，但是噪聲大；LDO正相反，它是效率低，噪聲小。

"LDO仿真文件" 已更新到公眾號后臺

這兩種電源具體在什么場景下使用不能一概而論，通常而言，對于噪聲不太敏感的數(shù)字電路多可以優(yōu)先考慮DCDC，而對于模擬電路，由于對噪聲比較敏感，可以優(yōu)先考慮LDO。

目前由于技術(shù)的進(jìn)步，DCDC的噪聲已經(jīng)可以減小很多了，但是相比于LDO還是稍遜一籌，今天我們來討論下LDO的基本工作原理，仿真一個(gè)簡單的LDO模型，介紹一下LDO使用過程中的相關(guān)注意事項(xiàng)。

2. LDO分類

常見的LDO是由P管構(gòu)成的，由于LDO效率比較低，因此一般不會(huì)走大電流。針對某些大電流低壓差需求的場合，NMOS LDO應(yīng)運(yùn)而生。下圖是PMOS和NMOS LDO的系統(tǒng)框圖對比。我們暫且忽略系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，把目光集中到LDO調(diào)節(jié)穩(wěn)定的工作過程，下面我們就著重來介紹下PMOS LDO的基本工作原理。

3. PMOS LDO基本原理

下面是一個(gè)PMOS LDO最基本結(jié)構(gòu)框圖。我們可以看到LDO主要由PMOS、運(yùn)放、反饋電阻和基準(zhǔn)參考電壓構(gòu)成。LDO主要工作流程是將輸出電壓通過分壓電阻分壓，Va和基準(zhǔn)參考電壓做比較，通過運(yùn)放輸出Vg來調(diào)節(jié)輸出，反饋回路已用紅色軌跡標(biāo)識出，具體原理分兩個(gè)方面詳細(xì)介紹。

A．反饋回路

當(dāng)Vout由于負(fù)載變化或其他原因電壓下降時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)分壓電阻兩端的電壓也會(huì)下降，進(jìn)而A點(diǎn)電壓下降，A點(diǎn)的電位和Vref電位相比較，誤差放大器會(huì)減小它的輸出，使得G電位下降，Vs電壓不變，進(jìn)而使得|Vgs|的壓差增加（我們用Vgs和Vds的絕對值描述PMOS更直觀），輸出電流Isd會(huì)增加，輸出電流Isd增加就會(huì)使得Vout上升，完成一次反饋控制，使得Vout又回到正常電位，。

總結(jié)過程如下：

Vout↓——>Va↓——>Vg↓——Iout↑——>Vout↑

B. PMOS驅(qū)動(dòng)的反饋

上面的描述中有兩個(gè)地方格外介紹下，其一是，當(dāng)A小于Vref時(shí)，G點(diǎn)的電位就會(huì)減小，通俗點(diǎn)理解，運(yùn)算放大器總是傾向于使得+-輸入端的電壓相等，因此，當(dāng)A小于Vref時(shí)，運(yùn)放就會(huì)減小輸出，以后我會(huì)用最淺顯的語言專門介紹運(yùn)放“虛短虛斷”概念的由來和應(yīng)用。

另一點(diǎn)是，G電位下降后為什么Iout就上升呢？這就涉及到PMOS工作狀態(tài)，下圖是PMOS的輸出特性曲線，或者叫做伏安特性曲線，是PMOS本身的一個(gè)特性，根據(jù)G、D、S電壓不同，MOS會(huì)工作在不同的區(qū)域，即可變電阻區(qū)，飽和區(qū)(恒流區(qū))，截至區(qū)。LDO中的MOS是工作在恒流區(qū)的。

順著下圖綠色箭頭指示方向|Vgs|逐漸上升，|Id|跟著|Vgs|上升而上升，而這段區(qū)域內(nèi)不管Vds怎么變換Id基本不變，換句話說，恒流區(qū)內(nèi)，Id只受Vgs控制，因此基于MOS的放大器有時(shí)也被叫做跨導(dǎo)放大器。這就是PMOS LDO工作原理的核心部分。

為方便描述，我們將兩個(gè)圖片放到一起講。

繼續(xù)上文：若Vout異常降低，Vin不變，則Vout-Vin=Vd-Vs=Vds，|Vds|上升(Vds<0)，在輸出特性曲線中體現(xiàn)為，由狀態(tài)工作點(diǎn)C轉(zhuǎn)移到D。緊接著反饋回路開始發(fā)揮作用，由于Vout下降，則Va降低，運(yùn)放會(huì)使得Vg下降，Vg-Vs=Vg-Vin=Vgs，|Vgs|也上升(Vgs<0)，在|Vgs|驅(qū)動(dòng)下Iout會(huì)慢慢上升，在輸出特性曲線恒流區(qū)內(nèi)體現(xiàn)為MOS從狀態(tài)工作點(diǎn)C向狀態(tài)工作點(diǎn)D，當(dāng)Iout=Id隨著Vgs上升時(shí)，Vds慢慢減小，最終Vout又上升回來，完成了一次完整的反饋控制。

4. LDO模型簡單仿真

仿真文件已上傳公眾號

下圖是使用multisim仿真的電路，LDO為5V轉(zhuǎn)3.3V，當(dāng)輸出變化時(shí)，會(huì)通過A點(diǎn)反饋至MOS的G極，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出。

下圖是LDO輸出的電壓和電流波形，紅色是電壓，綠色是電流。

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