电子电路学习笔记（14）——LDO(低压差线性稳压器)

Posted 2023-01-31 Leung_ManWah

一、简介

LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器）。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况，芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。

二、分类

• PMOS LDO：
  常见的LDO是由P管构成的，由于LDO效率比较低，因此一般不会走大电流。
  

• NMOS LDO：
  针对某些大电流低压差需求的场合，NMOS LDO应运而生。
  

• 传统PNP LDO：
  正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右。
  

• 传统NPN LDO：
  使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

三、工作原理

LDO=low dropout regulator，低压差+线性+稳压器。

• 低压差： 输出压降比较低，例如输入3.3V，输出可以达到3.2V。
• 线性： LDO内部的MOS管工作于线性电阻。
• 稳压器： 说明了LDO的用途是用来给电源稳压。

3.1 内部结构

以PMOS LDO为例：

LDO内部基本都是由4大部件构成，分别是分压取样电路、基准电压、误差放大电路和晶体管调整电路。

• 分压取样电路： 通过电阻R1和R2对输出电压进行采集；
• 基准电压： 通过bandgap（带隙电压基准）产生的，目的是为了温度变化对基准的影响小；
• 误差放大电路： 将采集的电压输入到比较器反向输入端，与正向输入端的基准电压（也就是期望输出的电压）进行比较，再将比较结果进行放大；
• 晶体管调整电路： 把这个放大后的信号输出到晶体管的控制极（也就是PMOS管的栅极或者PNP型三极管的基极），从而这个放大后的信号（电流）就可以控制晶体管的导通电压了，这就是一个负反馈调节回路。

3.2 负反馈流程

以PMOS LDO为例：

1. 反馈回路

• 当输出电压$V_{out}$由于负载变化或其他原因电压下降时，两个串联分压电阻两端的电压也会下降，进而A点电压下降，A点的电位和基准电压$V_{REF}$电位相比较，误差放大器会减小它的输出，使得PMOS管G极电压下降，PMOS管$V_S$电压不变，进而使得$|V_{GS}|$的压差增加（我们用Vgs和Vds的绝对值描述PMOS更直观），$I_{SD}$会增加，输出电流$I_{out}$增加就会使得输出电压$V_{out}$上升，完成一次反馈控制，使得$V_{out}$又回到正常电位。
  过程如下：$V_{out}\downarrow ——>V_A\downarrow ——>V_G\downarrow ——>I_{out}\uparrow ——>V_{out}\uparrow$

• 当输出电压$V_{out}$增大时，A点电压$V_A$增大，放大器输出电压增加，PMOS管的G极电压$V_G$增大，$|V_{GS}|$减小，PMOS的输出电流$I_{SD}$减小，输出电压$V_{out}$减小。
  过程如下：$V_{out}\uparrow ——>V_A\uparrow ——>V_G\uparrow ——I{>}_{out}\downarrow ——>V_{out}\downarrow$

2. PMOS驱动的反馈

• 上面的描述中有两个地方格外介绍下，其一是，当$V_A$小于$V_{REF}$时，G点的电位就会减小，通俗点理解，运算放大器总是倾向于使得正（+）负（-）输入端的电压相等，因此，当$V_A$小于$V_{REF}$时，运放就会减小输出。

• 另一点是，G电位下降后为什么$I_{out}$就上升呢？这就涉及到PMOS工作状态，下图是PMOS的输出特性曲线，或者叫做伏安特性曲线，是PMOS本身的一个特性，根据G、D、S电压不同，MOS会工作在不同的区域，即可变电阻区，饱和区(恒流区)，截至区。LDO中的MOS是工作在恒流区的。

  顺着下图绿色箭头指示方向$|V_{GS}|$逐渐上升，$I_D$跟着$|V_{GS}|$上升而上升，而这段区域内不管$V_{DS}$怎么变换$I_D$基本不变，换句话说，恒流区内，$I_D$只受$|V_{GS}|$控制，因此基于MOS的放大器有时也被叫做跨导放大器。这就是PMOS LDO工作原理的核心部分。
  

LDO工作原理就一句话：通过运放调节P-MOS的输出。

四、主要参数

• 输入输出压差（Dropout Voltage）：
  对于LDO来说，输入电压是高于输出电压的，但是两者压差一般都是很小，LDO的输入电流几乎等于输出电流，因此压差越大，效率越低（本身吃掉了很多能量电流×晶体管压降），压差越小，LDO电压转换效率越高以及能量损耗越小。

  压差($V_{DROPOUT}$)是指输入电压进一步下降而造成 LDO 不再能进行调节时的输入至输出电压差。在压差区域内，调整元件作用类似于电阻，阻值等于漏极至源极导通电阻（$RD{S}_{ON}$）。

  压差用$RD{S}_{ON}$和负载电流表示为：
  $V_{DROPOUT}=I_{LOAD}\times RD{S}_{ON}$
  

• 电源抑制比（PSRR）：
  LDO的 PSRR数据是用来量化LDO对不同频率的输入电源纹波的抑制能力的，它反映了LDO不受噪声和电压波动、保持输出电压稳定的能力。在特定频段内，PSRR越大越好。

  100K到1MHz内的PSRR非常重要，这个是DCDC的噪声频率范围，LDO经常作为DCDC的下一级，要有能力滤除来自DCDC的大量噪声。

  在ADC，DAC，Camera的AVDD供电上，我们要选择PSRR大于80dB（@100Hz）的LDO。LDO的环路控制往往是确定电源抑制性能的主要因素，同时大容量，低ESR的电容对电源一直也非常有用，建议选择陶瓷电容。

  PSRR与频率有关，LDO的规格书一般会给出几个频点的PSRR值。

  

• 噪声（Noise）：
  不同于PSRR，噪声是指LDO自身产生的噪声信号，低噪声的LDO稳压芯片可以很好的降低LDO产生的额外噪声，输出的电压更纯净，

  以上是关于电子电路学习笔记（14）——LDO(低压差线性稳压器)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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