一篇看懂LDO的工作原理及其设计LDO应注意的问题

LDO工作原理

LDO是Low Dropout Regulator的缩写，意思是低压差线性稳压器，LDO是用来做什么的？对于一个电源来说，我们希望得到一个非常干净的DC电压，但是，负载的瞬态变化以及输入纹波都是LDO需要考虑的干扰因素。 LDO使用误差放大器来比较参考电压和反馈的输出电压，通过调整功率晶体管的栅极电压，来调整输出电流大小。在等效电路模型中，LDO简单地建模为一个可调电阻，确保当输入电压和负载发生变化时输出电压是稳定的。

LDO使用闭合反馈环路来偏置传输元件，以维持其输出端子上的恒定电压。在图 1 中，运算放大器驱动 Q1 的基极，以确保其反相输入端的电压等于其非反相输入端的参考电压。

该电路中的运算放大器具有较小的负载、基极电流和最小的电容负载。因此，它可以非常快速地响应负载的变化。

从该示意图中可以观察到两件事：

LDO是降压转换器，这意味着输出电压始终低于输入电压。事实上，V IN和V OUT之间存在允许LDO工作的最小电压差。在数据表中，该值称为压差电压。如果 V OUT > V IN - V DROPOUT，则LDO无法将输出电压调节到所需电压。

功率消耗在传输晶体管中。功率量为P=(V IN -V OUT )*I LOAD。该功率被浪费了。这种热量会导致调节器变热。

图 1：LDO的内部操作示例

LDO的优点

LDO通常是高度集成的，包括传输元件和反馈环路。一些LDO（例如LM317）在与外部电阻分压器一起使用时是可调的，并有以下优点。

简单的。

便宜的。

电源抑制比。线性稳压器对输入电压的变化做出快速响应，产生输入上几乎没有任何纹波的输出电压。

对负载电压的变化做出快速响应。

无开关噪声。其他电压转换电路（称为 DC-DC 转换器）具有高频开关噪声。线性稳压器不具备这个特性。

LDO的缺点

LDO的主要缺点是效率低下。这是由于传输元件两端的电压降造成的。这种低效率会导致线性稳压器过热。注意您的应用的预期散热，并确保使用足够的散热或铜填充来控制温升。如果需要高功率、高效率或升压转换器，请使用 DC-DC 转换器。

LDO基本参数解释

输入电压：规定设计输入电源范围。

静态功耗：英文Quiescent Current，输出电流为0时的输入电流，即VOUT空载时输入电流。好的LDO和差的LDO相比较，是在电源纹波抑制比PSRR差不多的时候，静态耗流会更低。

关闭功耗：英文Shut down Current，使能脚拉低，VOUT=0V时，VIN上消耗的电流即为关闭功耗，一般在1uA以内，越小越好。

电源纹波抑制比：英文PSRR，这个参数越大越好，代表抑制输入纹波的能力越强，一般SPEC给出的是1KHz下的值，如：68dB@F=1KHz，LDO的最大的优点之一是它们能够衰减开关模式电源产生的电压纹波，所以一般在100K到1MHz之间的PSRR非常重要，这也是为什么我们经常看见DC-DC后面搭配一个LDO使用，敏感的模拟电源AVDD上，如ADC，Camera等，选择高PSRR的LDO。

输出电流：设计时预留50%的余量，实际运用过程中，输出电流的大小和输入输出电压都有关系。

输出电压：分为可调和固定，根据实际情况选择在，一般最好选择固定的。

输出电压精度：一般是2%，还有5%的。

耗散功率：使用时LDO的消耗的功耗不能超过这个值，否则LDO可能会损坏。

地电流：英文Ground Current，指的是输入电流和输出电流的差值。指的是LDO正常工作状态，在特定的负载下，LDO自身消耗的电流。

设计LDO应注意的问题：

1、压差

压差是LDO的重要参数，它表示输入与输出之间的电位差，LDO的压差越小越好。

但是当输入电压不能满足最小压差的要求时，LDO就无法正常工作，此时误差放大器会进入完全导通状态，使环路的增益变为零，对负载的稳压能力会变得很差，电源抑制比也大幅度降低，需要注意以下几点：

第一：在LDO的参数表中可以有多个甚至多组压差数据，例如在轻载、中等负载、满载条件下压差的最小值、典型值和最大值。

其中，典型值仅供设计时参考，最具有实际意义的应是满载条件下压差的最大值，该参数值是在最不利的情况下测得的。

设计时应以此为依据，以便留出足够的余量，确保LDO在最坏的情况下也能正常工作。

第二：为了可靠起见，有时可按Uin=Uout+△U+lV的关系式来选择最低输入电压值，功率按1.5倍以上选择有点浪费。

但加上20%-30%的余量一点不为过，一般LDO的自损功耗为Pd_max=（Uin-Uout）*Iout。

第三：输入一输出压差并非固定值，它随输出电流的增加而增大，随温度升高而增加。

2、最大输出电流

最大输出电流最大输出电流是LDO的一个基本参数，通常，输出电流越大，LDO的价格越高，LDO必须能在最不利的工作条件下给负载提供足够的电流。

3、输入电压

输入电压要求输入电压必须大于额定输出电压与输入一输出压差之和，即Uin>Uout+△U，否则LDO将失去稳压功能，输出电压会随输入电压而改变，此时Uout就等于输入电压减去调整管导通电阻(RON)与负载电流的乘积，即Uout=Uin-RONI0。

4、输出电压

输出电压固定输出式LDO的外围电路简单，使用方便，并且能节省外部取样电阻分压器的成本和空间。

其输出电压值在出厂时已趋于一致(仅限于通用电压)，输出电压精度一般为±5％，这对于大多数应用已经足够了。

新型LDO采用激光修正技术，精度指标可达±1％～±2％。

特别需要注意产品说明书所给出精度指标的适用条件，例如是在室温下还是在整个工作温度范围内，是满载条件下还是在中等负载或空载条件下。

可调输出式LDO允许在规定范围内连续调节输出电压，若将输出端与反馈端相连，使输出电压等于内部基准电压，则最低输出电压一般为1.2V左右。

5、输入电源

输入电源有两种类型，一种是直流电源，另一种是交流电源。

采用交流电时，首先要经过电源变压器和整流滤波器变成脉动直流电，然后给LDO提供输入电压，此时LDO的压差已不再是关键指标，因为通过增加电源变压器二次绕组的匝数，很容易提高LDO的输入电压，满足LDO对压差的需要。

6、静态电流

静态电流是指在空载条件下或关断输出时，LDO内部流向地的总电流。

静态电流越小，稳压器的功耗越低，在某些应用中，经常选择待机模式将输出关断，此时电池的使用寿命就取决于静态电流的大小。

最近推出的新型LDO，静态电流可低至75～150μA，并且比普通LDO的稳压特性更好。

需要强调的是LDO的静态电流不是一个固定值，它随负载电流的增大而增加。但VLDO的静态电流可近似认为是恒定值。

7、LDO的附加功能

通/断控制功能，允许使用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出，使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。

输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。

故障标记输出功能,当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时，LDO能输出故障标记信号，微处理器在接收到此信号后，可及时完成数据存储等项工作。

瞬变电压保护功能，将LDO用于汽车电子设备时，需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护，一旦输出端出现瞬变电压，立即将输出关断，等瞬变电压过去之后，又迅速恢复正常工作。

跟踪能力某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力，其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化，并及时调整自己的输出电压值，以减小各路输出之间的相对变化量。

排序，所谓排序，就是在多个稳压电源构成的电源系统中，使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。

在设计LDO时，如果能将以上七种因素都考虑在内，那么你所设计的LDO无疑是最佳的。

如何选择正确的LDO：

世界各地的 IC 制造商已经生产出了数量相当惊人的超多线性稳压器 — 搜索表明有大约一万种不同的零件。对于那些犹豫不决的人来说，如此众多的选择可能会有些问题。不过，总体而言，这种情况是有利的，因为它使我们能够找到几乎适合特定应用的 LDO。

然而，如果不了解 LDO 性能的一些不太重要的细节，您就无法彻底微调稳压器电路。我承认，如果您仅根据输入电压范围、输出电压和最大负载电流来选择部件，许多设计将完全发挥作用。但是，如果您的应用需要低功耗或高精度等要求，那么您的选择过程就需要更加复杂。

不是所有电流都流到地吗？

在这个微型电子部件预计仅靠一块电池就能运行数月甚至数年的时代，功耗是一个严重的问题。因此，了解 LDO 在将输入电压转换为稳压输出电压的过程中会消耗一些电流非常重要。这种电流通常被称为“接地电流”——考虑到各种电流都有返回接地节点的趋势，我认为这个术语非常模糊。更好的选择是“接地引脚电流”，即通过接地端子直接从输入端子流回电源的电流。

无论如何，您都必须将 LDO 的接地引脚电流纳入您的功率预算，但这并不是特别简单，因为接地引脚电流受输入电压和负载电流的影响。以下是Analog Devices部件号ADP3339的接地引脚电流规格：

这里要注意三件事：

“典型”和“最大”规格之间存在大约三倍的差异，在规划“预期”与“最坏情况”功耗时需要牢记这一点。

接地引脚电流随负载电流显着增加；如果您的设计采用低功耗模式，其中稳压器提供的电流比正常操作期间少得多，则需要考虑到这一点。

在压差状态下运行 LDO 会导致接地引脚电流增加。

这是接地引脚电流规格的另一个示例，这次以图形形式表示。这取自Linear Tech 的LT3007系列数据表。

请注意较高的输入电压如何降低接地引脚电流。

静电流

一个独特但相关的规范是“静态电流”。与“接地电流”相比，该术语的信息量非常大——“静态”让人想起“安静”一词，指的是不活动状态，因此静态电流是稳压器在不提供负载电流时消耗的电流。

以下是 LT3007 系列的静态电流规格。

请注意，静态电流随着温度的升高而增加：

一些作者使用“静态电流”作为“接地电流”的另一个术语，但我认为最好保持本文中使用的区别：“静态”仅指稳压器在不工作时消耗的接地引脚电流。提供负载电流。

线路和负载

我很难想到仅仅为了供电而需要极其精确的电压的情况；集成电路可以承受电源电压的变化。然而，有时您确实希望通过使用现有的线性稳压器作为数据转换器的参考电压来降低成本或组件面积。在这种情况下，您需要仔细考虑可能导致稳压器的实际输出电压偏离预期输出电压的各种因素。

毫不奇怪，不准确的一个来源是稳压器标称 V OUT和实际 V OUT之间的初始差异，例如，“2.5 V”稳压器在输入电压和负载电流的特定组合下的实际输出可能是2.45 V 至 2.55 V。为了最大限度地减少这种误差源，您可以测量实际输出电压并相应地修改硬件或固件，或者您可以简单地选择高精度 LDO（我见过初始精度高达 0.5% 的部件） ）。

然而，除了初始精度之外，您还必须考虑线路调节和负载调节。线路调整率是指输入电压变化导致输出电压变化的程度，负载调整率是指负载电流变化导致输出电压变化的程度。如以下 ADP3339 规格所示，线路调节可以以 mV/V 为单位表示（即，每伏输入变化产生的输出变化为毫伏），负载调节可以以 mV/A 为单位表示（即，每安培负载电流变化输出变化毫伏）。

如果您至少对负载电流和输入电压有一个大概的了解，则可以使用线路和负载调节规格来更准确地预测稳压器的输出电压。此外，您还可以通过考虑固件中的负载调节来补偿负载电流的变化。例如，如果您有一个微控制器知道您的电路板何时处于低功耗状态，它可以根据该特定状态下的预期电流消耗修改应用于模数转换结果的计算。

不要烧毁你的 LDO

线性稳压器数据表中其他一些重要但容易被忽视的规格是与温度限制和热阻相关的规格：

设计 LDO 可能过热的电路比您想象的要容易。线性稳压器的热设计中介绍了该主题。

审核编辑：刘清