电源系列1：LDO原理详细介绍（一）

原文来自公众号：硬件工程师看海

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1. 前言

目前市场上无论什么电子产品，只要涉及到电就必须用到电源，电源的分类有很多种，比如开关电源、逆变电源、交流电源等等。在移动端消费类电子产品中，常用的有DCDC电源和LDO电源两种，DCDC的优点是效率高，但是噪声大；LDO正相反，它是效率低，噪声小。

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这两种电源具体在什么场景下使用不能一概而论，通常而言，对于噪声不太敏感的数字电路多可以优先考虑DCDC，而对于模拟电路，由于对噪声比较敏感，可以优先考虑LDO。

目前由于技术的进步，DCDC的噪声已经可以减小很多了，但是相比于LDO还是稍逊一筹，今天我们来讨论下LDO的基本工作原理，仿真一个简单的LDO模型，介绍一下LDO使用过程中的相关注意事项。

2. LDO分类

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。针对某些大电流低压差需求的场合，NMOS LDO应运而生。下图是PMOS和NMOS LDO的系统框图对比。我们暂且忽略系统的传递函数，把目光集中到LDO调节稳定的工作过程，下面我们就着重来介绍下PMOS LDO的基本工作原理。

 

 

3. PMOS LDO基本原理

下面是一个PMOS LDO最基本结构框图。我们可以看到LDO主要由PMOS、运放、反馈电阻和基准参考电压构成。LDO主要工作流程是将输出电压通过分压电阻分压，Va和基准参考电压做比较，通过运放输出Vg来调节输出，反馈回路已用红色轨迹标识出，具体原理分两个方面详细介绍。

A．反馈回路

当Vout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Vref电位相比较，误差放大器会减小它的输出，使得G电位下降，Vs电压不变，进而使得|Vgs|的压差增加（我们用Vgs和Vds的绝对值描述PMOS更直观），输出电流Isd会增加，输出电流Isd增加就会使得Vout上升，完成一次反馈控制，使得Vout又回到正常电位，。

总结过程如下：

Vout↓——>Va↓——>Vg↓——Iout↑——>Vout↑

B. 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A小于Vref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+-输入端的电压相等，因此，当A小于Vref时，运放就会减小输出，以后我会用最浅显的语言专门介绍运放“虚短虚断”概念的由来和应用。

另一点是，G电位下降后为什么Iout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|Vgs|逐渐上升，|Id|跟着|Vgs|上升而上升，而这段区域内不管Vds怎么变换Id基本不变，换句话说，恒流区内，Id只受Vgs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。

为方便描述，我们将两个图片放到一起讲。

继续上文：若Vout异常降低，Vin不变，则Vout-Vin=Vd-Vs=Vds，|Vds|上升(Vds<0)，在输出特性曲线中体现为，由状态工作点C转移到D。紧接着反馈回路开始发挥作用，由于Vout下降，则Va降低，运放会使得Vg下降，Vg-Vs=Vg-Vin=Vgs，|Vgs|也上升(Vgs<0)，在|Vgs|驱动下Iout会慢慢上升，在输出特性曲线恒流区内体现为MOS从状态工作点C向状态工作点D，当Iout=Id随着Vgs上升时，Vds慢慢减小，最终Vout又上升回来，完成了一次完整的反馈控制。

 

4. LDO模型简单仿真

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下图是使用multisim仿真的电路，LDO为5V转3.3V，当输出变化时，会通过A点反馈至MOS的G极，进而调节输出。

下图是LDO输出的电压和电流波形，红色是电压，绿色是电流。

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