科普：一文了解LDO

LDO，英文全名是Low Dropout Regulaor，顧名思義就是低壓差線性穩(wěn)壓器，屬于線性電源。為線性的穩(wěn)壓器，僅能使用在降壓應用中，也就是輸出電壓必需小于輸入電壓。

LDO=low dropout regulator，低壓差+線性+穩(wěn)壓器。

“低壓差”：輸出壓降比較低，例如輸入3.3V，輸出可以達到3.2V。

“線性”：LDO內部的MOS管工作于線性電阻。

“穩(wěn)壓器”：說明了LDO的用途是用來給電源穩(wěn)壓。

我們從上面的拓撲圖可以看出，LDO內部主要是基準參考電壓、誤差放大器、分壓取樣電路和MOS管調整電路。

LDO內部基本都是由4大部件構成，分別是分壓取樣電路、基準電壓、誤差放大電路和晶體管調整電路。

分壓取樣電路---通過電阻R1和R2對輸出電壓進行采集，誤差放大電路---將采集的電壓輸入到比較器反向輸入端，與正向輸入端的基準電壓（也就是期望輸出的電壓）進行比較，再將比較結果進行放大，晶體管調整電路---把這個放大后的信號輸出到晶體管的控制極（也就是PMOS管的柵極或者PNP型三極管的基極），從而這個放大后的信號（電流）就可以控制晶體管的導通電壓了，這就是一個負反饋調節(jié)回路。晶體管輸出電壓就是輸入電壓減去導通電壓，因此控制了導通電壓就相當于控制了LDO的輸出電壓了。當輸出電壓與基準電壓相差較大的時候，比較器輸出信號變強，從而晶體管壓降變小，輸出電壓變小，從而基準電壓與輸出電壓變得更加接近。

LDO的基本原理

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本電路如下圖所示，該電路由串聯(lián)調整管VT（PNP晶體管，注：實際應用中，此處常用的是P溝道場效應管）、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

低壓差線性穩(wěn)壓器基本電路

取樣電壓Uin加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref（Uout*R2/（R1+R2））相比較，兩者的差值經放大器A放大后. Uout=(U+ - U-)*A 注A為比較放大器的倍數(shù)，）控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯(lián)調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過中，輸出電壓校正連續(xù)進行，調整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。

應當說明，實際的線性穩(wěn)壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等，而且串聯(lián)調整管也可以采用MOSFET。

LDO的典型應用

低壓差線性穩(wěn)壓器的典型應用如下圖所示。下圖所示電路是一種最常見的AC/DC電源，交流電源電壓經變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經整流后變?yōu)橹绷麟妷骸Ｔ谠撾娐分?，低壓差線性穩(wěn)壓器的作用是：在交流電源電壓或負載變化時穩(wěn)定輸出電壓，抑制紋波電壓，消除電源產生的交流噪聲。

各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內變化。為了保證蓄電池組輸出恒定電壓，通常都應當在電池組輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如下圖所示。低壓差線性穩(wěn)壓器的功率較低，因此可以延長蓄電池的使用壽命。同時，由于低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸入電壓接近，因此在蓄電池接近放電完畢時，仍可保證輸出電壓穩(wěn)定。

眾所周知，開關性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時，將產生較大的影響。在開關性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如下圖所示，就可以實現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯降低。

在某些應用中，比如無線電通信設備通常只有一足電池供電，但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只穩(wěn)壓器供電。為了節(jié)省共電池的電量，通常設備不工作時，都希望低壓差線性穩(wěn)壓器工作于睡眠狀態(tài)。為此，要求線性穩(wěn)壓器具有使能控制端。有單組蓄電池供電的多路輸出且具有通斷控制功能的供電系統(tǒng)如下圖所示。

輸出電壓計算方式在上面是有的，但是注意是換成了下面的電阻R2除以上面的電阻R1，正好和上面的DCDC典型電路相反，請注意兩者的區(qū)別。

注：LDO和DCDC的反饋電阻取值不同，請注意DCDC反饋電阻取值一般是 KΩ 級別，但是LDO的反饋電阻一般是 百Ω 級別，因為LDO對于反饋引腳電流有要求。

LDO工作原理

首先分壓取樣電路兩個電阻分壓對輸出電壓進行采集，誤差放大電路將采集的電壓輸入到比較器反向輸入端，與正向輸入端的基準電壓（也就是期望輸出的電壓）進行比較，再將比較結果進行放大。

MOS管調整電路把這個放大后的信號輸出到MOS管的柵極，從而這個放大后的信號（電流）就可以控制MOS管的導通電壓了，這就是一個負反饋調節(jié)回路。

MOS管輸出電壓就是輸入電壓減去導通電壓，因此控制了導通電壓就相當于控制了LDO的輸出電壓了。

當輸出電壓與基準電壓相差較大的時候，比較器輸出信號變強，從而MOS管壓降變小，輸出電壓變小，從而基準電壓與輸出電壓變得更加接近。

從LDO工作原理我們可以得知，LDO只能降壓。

舉例

通過對于LDO的進一步了解，我們知道LDO一般應用于輸入輸出壓差小，輸出電流小的應用場景，這樣才能發(fā)揮LDO的優(yōu)勢，同時使用時還要重點注意壓降、耗散功率等參數(shù)，保證電路可以按預期正常工作。

上圖中的LDO芯片，內部為一個P-MOS+一個運放+2個電阻

因此上圖LDO核心架構：P-MOS+運放，通過芯片內部已經設置好的電阻來達到調節(jié)P-MOS的輸出，而得到該芯片的輸出電壓。

上圖中的LDO工作原理就一句話：通過運放調節(jié)P-MOS的輸出。

LDO的特點

1.外圍電路簡單，價格便宜

LDO在使用的時候，非常方便，除了輸入、輸出端加上濾波電容，不需要其他外圍器件，而一般的DCDC模塊在使用時要電感、電容、二極管等外圍器件組合，且布局也需要特別講究，否則使用效果不盡人意。

LDO芯片一般都比較便宜，且不需要很多外圍器件，非常適合低成本方案。

2.效率較低

使用LDO時，需注意輸入電壓與輸出電壓差不能太大，否則效率會非常低。LDO效率η=（Vin-Vout）/Vin，比如輸入電壓Vin為24V，輸出電壓Vout3.3V，計算得出效率η=13.75%，效率很低。所以使用LDO時，盡量控制輸入輸出電壓差。

3.噪聲低、紋波小

因為其原理為線性調節(jié)方式，所以不會產生開關噪聲，同時電路紋波也很小。

LDO的主要參數(shù)

1．輸出電壓(Output Voltage)

輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，也是電子設備設計者選用穩(wěn)壓器時首先應考慮的參數(shù)。低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經過廠家精密調整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。但是其設定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應用要求，但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。

2．最大輸出電流(Maximum Output Current)

用電設備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當?shù)姆€(wěn)壓器。

3．輸入輸出電壓差(Dropout Voltage)

輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

4．接地電流(Ground Pin Current)

接地電路IGND是指串聯(lián)調整管輸出電流為零時，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時也稱為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調整管元件時，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。

5．負載調整率(Load Regulation)

負載調整率可以通過圖2-1和式2-1來定義，LDO的負載調整率越小，說明LDO抑制負載干擾的能力越強。

6．線性調整率(Line Regulation)

線性調整率可以通過圖2-2和式2-2來定義，LDO的線性調整率越小，輸入電壓變化對輸出電壓影響越小，LDO的性能越好。

7．電源抑制比(PSSR)

LDO的輸入源往往許多干擾信號存在。PSRR反映了LDO對于這些干擾信號的抑制能力。

LDO選型需考慮的因素

1.壓降（Dropout Voltage）

我們在選型LDO時，除了考慮輸入輸出電壓的范圍，還要考慮LDO本身存在壓降，這個是由LDO本身結構（MOS管存在導通電阻）導致，這個參數(shù)我們很多設計人員都會忽略，最后就會導致電路工作不正常。比如我們常用的AMS1117-3.3，這個LDO最高可以輸入15V，輸出3.3V，假設我們的輸入電壓為4.2V，乍一看輸入電壓在手冊規(guī)定范圍內，同時也高于輸出，應該是可以使用的。但是實際使用時，卻發(fā)現(xiàn)輸出電壓沒有3.3V，大概在2.7V-2.9V左右，這就是設計時忽略的LDO本身存在的壓降。

從上圖我們看可以知道AMS1117的壓降一般1.1V，最大1.3V，因為壓降還和電流、溫度有關系，所以推薦輸 入電壓-輸出電壓≥1.5V，才可以保證電路穩(wěn)定。

2.最大耗散功率（Power Dissipation）

LDO的耗散功率P=（Vin-Vout）*Iout，假設輸入電壓Vin24V，輸出電壓Vout3.3V，輸出電流Iout30mA，那LDO的耗散功率P=0.651W，這個功耗全部是通過熱量損耗了，所以不推薦LDO用于輸入輸出壓差過大，大輸出電流的場景。

如果實在需要使用的話，我們就要考慮LDO芯片能承受多大的功耗了，我們以HT7333-3為例，下圖為其不同封裝的最大耗散功率，這個最大耗散功率就是這個芯片能承受最大的熱功耗，超過就會燒壞。

我們以上面舉例的場景下使用HT7333-3的話，那我們就只能選用最下面的8SOP-EP封裝了，同時注意電路散熱，這樣才不至于燒壞LDO芯片。

3.輸入電壓范圍：穩(wěn)壓器輸入端可以輸入的電壓范圍。

4.輸出電壓：穩(wěn)壓器輸出端的輸出電壓值。

5.最大輸出電流：穩(wěn)壓器輸出端的最大輸出電流值。

6.線性調整率：穩(wěn)壓器輸入變化對輸出的影響，即在負載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比。線性調整率越小越好。

7.負載調整率：是指在給定負載變化下的輸出電壓的變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載。負載調整率越小越好。

8.電源紋波抑制比(PSRR)：表示穩(wěn)壓器抑制由輸入電壓造成的輸出電壓波動的能力。線性調整率只有在直流電時才需要考慮，但是電源抑制比必須在寬頻率范圍上考慮。PSRR是一個用來描述輸出信號受電源影響的參量，PSRR越大，輸出信號受到電源的影響越小。

9.瞬態(tài)響應：表示負載電流突變時引起的輸出電壓的最大變化，它是輸出電容及其等效串聯(lián)電阻和旁路電容的函數(shù)。其中輸出電容的作用是提高負載瞬態(tài)響應的能力，也起到了高頻旁路的作用。

10.靜態(tài)電流：又叫接地電流，是通路元件的偏流和驅動電流的組合，通常保持盡可能低的水平。靜態(tài)電流越大，穩(wěn)壓器的效率越低。

DC/DC和LDO的區(qū)別是什么？

DC/DC簡介

DC/DC 轉換器一般由控制芯片，電桿線圈，二極管，三極管，電容構成。DC/DC轉換器為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分為三類：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。根據(jù)需求可采用三類控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制。目前DC/DC轉換器廣泛應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產品中。?

由于一般的LDO封裝都比DC/DC小的多，并且成本也低得多，因此在很多產所中，我們會使用到LDO來轉換我們所需要的電壓，當然在選擇使用LDO的前提下，是需要滿足對噪聲的反應和耗電等基本要求的。

兩者如何選用

1、輸入電壓和輸出電壓范圍。如果輸入輸出電壓差值很大，此時就應該選擇DCDC，效率高損耗低；如果選擇LDO器件，隨著輸入輸出壓差的增加，器件的效率一直下降，由此帶來的問題就是高發(fā)熱量；

2、看預算。相同輸入輸出電壓的LDO可選擇時，確認研發(fā)以及生產的成本，成本如果可行的話，用便宜的，顯然LDO是不錯的選擇；首先單芯片的價格，DCDC貴，外加濾波電容、儲能電感、續(xù)流二極管，這些東西可是不便宜的；

3、空間。PCB是項目最終需要拿出來的實物，所有的直插式、表貼式元件都是安裝在PCB板上的，如果空間足夠，看其他要求，有空間問題，LDO占用空間小于DCDC；

4、看負載規(guī)格。像CPU、GPU、內核電壓這種，需要很大的工作電流，此時LDO已經不滿足條件了，因為前面說了，負載越大，損耗越多，這是兩者的工作原理決定的；

5、看負載要求。對于LDO來說，紋波小，穩(wěn)定；對于DCDC來講，紋波大；所以想WiFi、藍牙、GPS等工作需要很小的紋波時，DCDC就派不上用處了，因為電源波動太大，超過IO口電壓容忍值，會導致后級負載對高低電平的判斷失誤；

6、看輸出電壓規(guī)格。如果在一個應用中，需要輸出多路電源，電源值高于VCC和低于VCC，此時就需要DCDC了，應為DCDC可以利用電感升壓，利用電感降壓，可以同時滿足需求；

7、看應用環(huán)境。電子電路工作的環(huán)境不一致，會導致芯片的表現(xiàn)差異巨大，壽命也會大大縮短，比如濕度、溫度等，而產品種類不一致，器件廠商不一致，則產品的使用環(huán)境是不一致的，這個需要看需求看電源手冊決定。

LDO分類：PMOS與NMOS

常見的LDO是由P管構成的，由于LDO效率比較低，因此一般不會走大電流。針對某些大電流低壓差需求的場合，NMOS LDO應運而生。下圖是PMOS和NMOS LDO的系統(tǒng)框圖對比。

此圖為PMOS

此圖為NMOS

下面是一個PMOS LDO最基本結構框圖。我們可以看到LDO主要由PMOS、運放、反饋電阻和基準參考電壓構成。LDO主要工作流程是將輸出電壓通過分壓電阻分壓，Va和基準參考電壓做比較，通過運放輸出Vg來調節(jié)輸出，反饋回路已用紅色軌跡標識出。

下圖是一個NMOS LDO的基本框圖，NMOS LDO一般也工作在飽和區(qū)（特殊時會在可變電阻區(qū)），所以Vg要大于Vs，因此NMOS LDO除了有Vin引腳，一般還會有個Vbias引腳來給MOS G極提供高壓驅動源；或者只有一個Vin，而內部集成了CHARGE BUMP來為G極提供高壓驅動源。大體工作流程同PMOS LDO：當Vout下降時，反饋回路中的Vfb也會下降，誤差放大器輸出端Vg就會增加，隨著Vg增加，Ids電流也增加，最終使得Vout又恢復到指定電平，狀態(tài)如下：

Vout↓——>Vfb↓——>Vg↑——Iout↑——>Vout↑

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審核編輯：湯梓紅