LDO 基础知识以及其如何延长便携式和可穿戴设备的电池寿命

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

现代电子设备正变得越来越小，越来越便携。智能手表、健身追踪器、安防系统和物联网 (IoT) 设备越来越多地采用电池供电。因此，这些设备需要高效率电源稳压器，能够从每次充电中炸尽每一毫瓦的功率，以确保设备工作更长的时间。此外，这些设备的总过温升必须极小。传统的线性稳压器和开关模式电源稳压器无法轻易地满足这些便携式设备的效率要求。此外，开关模式电源稳压器也会受到噪声和瞬态电压的影响。

低压差稳压器 (LDO) 是线性和开关稳压器系列的最新产品，通过其自身的极低压降运行，来提高效率并降低热耗散。LDO 类型众多，封装可以小到 3×3×0.6 mm，非常适合中低功率的应用。目前有输出电压恒定或可调的的版本，以及一些通过输出使能线路进行通断控制的版本。

本文将介绍低压差稳压器的基础知识及其相对于传统线性和开关模式电源稳压器的关键特性。然后，介绍来自 [Diodes Incorporated] 的真正 LDO 器件及其用法。

什么是 LDO 稳压器？

电压稳压器的功能是在负载和源电压变化的情况下保持输出电压恒定。传统的电压稳压器电路采用线性或开关模式设计。LDO 稳压器属于线性稳压器，但在工作期间其输入和输出端之间的电压非常低。像所有的线性电压稳压器一样，LDO 基于反馈控制回路（图 1）。

图 1：LDO 稳压器基于电压控制反馈电路。串联传输器件可以是 PMOS、NMOS 或 PNP 双极晶体管，其作用类似于压控电阻器。（图片来源： Diodes Incorporated）

LDO 稳压器通过电阻分压器检测输出电压，该分压器会缩放输出电平。输出电压经过缩放后施加到误差放大器上，然后比较基准电压。误差放大器驱动串联传输器件，以便在输出端保持理想电压。输入和输出电压之差即为压差，该电压出现在传输设备上。

在 LDO 中，串联传输器件的作用类似电压 - 可变电阻器。串联传输器件可以是 P 沟道金属氧化物半导体 (PMOS)、N 沟道金属氧化物半导体 (NMOS) 或者 PNP 双极晶体管。PMOS 和 PNP 器件可以驱动至饱和状态，从而最大限度地减少压差。在采用 PMOS 场效应晶体管 (FET) 的情况下，压差大约等于沟道导通电阻 (R DSON ) 乘以输出电流。虽然这些器件各有优缺点，但事实证明 PMOS 器件的实施成本最低。Diodes Incorporated 的 [AP7361EA]系列正输出 LDO 稳压器采用 PMOS 传输器件，能在 1 A 负载电流下实现 3.3 V 输出的压差约为 360 mV，且电压精度为 ±1%（图 2）。

图 2：如图所示，AP7361EA 系列 3.3 V LDO 在三不同温度下的压差与输出电流的函数关系图。（图片来源： Diodes Incorporated）

压差与输出电流的函数关系图表明了每个温度下都有恒定斜率，说明其阻性特点。压差在一定程度上与温度有关，其电平随着温度升高而提高。请注意，LDO 的压差比传统的线性电源稳压器要低得多，后者的压差约 2 V。

请注意，图 1 所示的输出电容是以其固有的有效串联电阻 (ESR) 表示的，该值会影响稳压器的稳定性。所选电容器的 ESR 应低于 10 Ω，以保证在 -40° 至 +85°C 的整个工作温度内的稳定性。建议采用的电容器类型包括多层陶瓷电容器 (MLCC)、固态 E-CAP 以及数值超过 2.2 mF 的钽电容器。

静态电流 IQ 表示 LDO 在没有负载时消耗的电源电流。静态电流为 LDO 内部电路供电，如误差放大器和输出分压器。在电池供电型设备中，静态电流会影响到电池的放电率，而且通常情况下静态电流尽可能低。Diodes Incorporated 的 AP7361EA 系列的典型 IQ 为 68 mA。

AP7361EA 系列 LDO

AP7361EA 系列包括三种备选电路配置，如图 3 所示。

图 3：AP7361EA 系列提供输出电压恒定或可调的器件，带或不带使能控制功能。（图片来源： Diodes Incorporated）

AP7361EA 系列分为输出电压恒定或可调的版本。恒压版本具有内部分压器，提供 1.0 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、2.8 V 或 3.3 V 的输出电压电平。输出可调器件需要用户提供外部分压器，且输出电压范围为 0.8 V 至 5 V。所有版本的输出电压精度规格为 ±1%，同时输入电压范围为 2.2 V 至 6 V。

恒压或输出电压可调版本可包含启用控制线 (EN)。AP7361EA 通过将 EN 引脚设置为高电平而开启，通过将其拉低而该器件关断。如果不使用这一功能，EN 引脚应与输入引脚 (IN) 绑定在一起，以保持稳压器输出一直处于开启状态。使能线路的响应时间约为 200 ms，用于开启，而其关断则用时约 50ms。

AP7361EA 器件的另一个与众不同之处是其封装。该器件可采用 U-DFN3030-8（E 型）、SOT89-5、SOT223、TO252 (DPAK) 和 SO-8EP 封装。

表 1 所示，以 AP7361EA 产品的不同版本为例进行了比较，包括恒压型 ([AP7361EA-33DR-13], [AP7361EA-10ER-13]) 和可调型 ([AP7361EA-FGE-7]，[AP7361EA-SPR-13])。

| | 零件编号 | 恒定/可调 | 输出电压 | 输出电流 | 输出使能 | 包装 |
| ------------------ | ----------- | ---------------- | ---------- | ---------- | ----------------- |
| AP7361EA-33DR-13 | 恒定 | 3.3 V | 1 A | 否 | TO-252, (D-Pak) |
| AP7361EA-10ER-13 | 恒定 | 1.0 V | 1 A | 否 | SOT-223-3 |
| AP7361EA-FGE-7 | 可调 | 0.8 V 至 5.0 V | 1 A | 否 | U-DFN3030-8 |
| AP7361EA-SPR-13 | 可调 | 0.8 V 至 5.0 V | 1 A | 是 | 8-SO-EP |

表 1：AP7361EA 恒压配置和电压可调配置的样品。（表格来源：Art Pini，采用了 Diodes Inc. 提供的数据）

AP7361EA 系列器件都有短路和过流保护功能。如果输出电流超过电流限制（通常为 1.5A），短路和过流保护则具有 400 mA 的折返限流。当器件的结温上升到名义上的 150°C 时，就会发生热关断，而当结温下降到大约 130°C 时恢复工作。

负载和电源调整率

负载调节能力表示 LDO 在输出负载电流变化的情况下保持其输出电压的能力。这一特性对于电池供电型便携设备非常重要，因为控制器经常在不使用时关闭子系统。AP7361EA LDO 系列在输出电平为 1 V 至 1.2 V 时的最大指定负载调节率为 1.5%，输出为 1.2 V 至 3.3 V 时为 1%（图 4）。

图 4：3.3 V 输出的负载调节图示例。对于 3.3 V 标称输出，负载在 100 mA 至 500 mA 范围内变化时，最大输出变化约为 0.15% 或约 5.0 mA。（图片来源： Diodes Incorporated）

负载调节率是最大输出电压变化与额定输出电压之比。在上例中，负载变化为 100 mA 至 500 mA 时，最大输出变化约为 5.0 mA。因此，负载调节率是 0.005/3.3 或 0.15%。

线路变化规定了每伏输出的源电压变化时的输出变化。AP7361EA 系列在室温下的最大电源调整率为 0.1%/V，在整个温度范围内为 0.2%/V。对于 3.3 V 输出，1 V 输入电平变化应该有小于输出电平变化，即标称 3.3 V 输出的 0.33%（图 5）。

图 5：所示为 AP7361EA 在 3.3 V 输出时的电源调整率。输入电压在 4.3 V 到 5.3 V 之间变化会导致输出电压发生 0.05% 的变化。（图片来源： Diodes Incorporated）

图 5 显示了 LDO 的电源调整率。源电压在 4.3 V 到 5.3 V 之间变化，将导致输出电平发生 0.05% 或大约 1.65 mV 的变化。

请注意，在线路和负载变化条件下，说明了输出值从瞬态事件中迅速恢复。这一特点在便携式设备重启过程中非常重要，因为在重新启动消音电路之前，电源总线必须启动并发挥作用。

电源抑制比

作为线性电路，LDO 产生的噪声比开关模式电源 (SMPS) 或电源转换器要小得多。在许多应用中，在电路板上使用 LDO，但电源是 SMPS。由于 LDO 内的控制系统，它倾向于抑制来自输入电源的噪声和纹波。衡量这种噪声抑制的标准是电源抑制比 (PSRR)（图 6）。

图 6：PSRR 是根据在 LDO 的输入和输出端测量的交变电流信号计算的。（图片来源： Diodes Incorporated）

如图 6 所示，PSRR 是根据输入的交流分量与输出的交流分量之比计算的。AP7361EA 系列的 PSRR 与频率有关，随着频率的增加而降低。1 kHz 时，PSRR 为 75 dB；10 kHz 时下降至 55 dB。75 dB 代表衰减超过 5600:1。1kHz 时的 10mV 纹波或噪声信号将被衰减至约 1.7 μV。

应用实例

图 7 所示为输出可调的 LDO 的典型应用。该应用包括一个与 AP7361EA-SPR-13 类似的输出使能以及一个外部输出分压器。

图 7：使用了需要外部输出分压器的可调输出 LDO 的实例。右下方的公式显示了为满足期望的输出电压和内部基准而采用的电阻 R1 和 R2 之间的关系。（图片来源： Diodes Incorporated）

电阻分压器的电阻值可以用图 7 右下方所示的公式计算。R2 的值应保持小于 80 kΩ，以确保内部电压基准的稳定性。对于 2.4 V 输出，基准电压为 0.8 V，R2 为 61.9 kΩ，R1 为 123.8 kΩ。一个 124 kΩ、1% 的电阻就是所需的电阻。

结语

LDO 是线性稳压器，工作时输入和输出之间保持低压差并具有低静态电流。这种稳压器具有高功率效率、低噪音和小尺寸。这种稳压器特别适合电池供电型便携式设备，因为这种器件可以延长电池寿命并提高可靠性。