LDO简介、工作原理及性能指标

前沿

第三篇，LDO工作原理比较简单。一些性能指标比较重要，面试的时候经常会被问。

LDO

1、简介

LDO(low dropout regulator-低压差稳压器) 是一种线性稳压器，使用在其饱和区域内运行的晶体管或场效应管(FET)，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。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;与之相比，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。

DC-DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换)，只要符合这个定义都可以叫DC-DC转换器，包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DC-DC。

LDO是低压降的意思，这有一段说明：低压降(LDO)线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA(TI的TPS78001达到Iq=0.5uA)，电压降只有100mV。 LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流;另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力， 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。

2、工作框图

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，

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。晶体管输出电压就是输入电压减去导通电压，因此控制了导通电压就相当于控制了LDO的输出电压了。

3、性能指标

最小压差(dropout voltage)：

指输入电压进一步下降而造成LDO不能再调节时的输入至输出电压差。

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。

电源抑制比(PSRR Power supply rejection ratio)：

PSRR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。

PSRR = 20 × log(ΔVIN / ΔVOUT )根据公式可知，PSRR越大，表明LDO对于纹波的抑制效果越好。

输入电压范围：稳压器输入端可以输入的电压范围。

输出电压：稳压器输出端的输出电压值。

最大输出电流：稳压器输出端的最大输出电流值。

线性调整率：稳压器输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。

负载调整率：是指在给定负载变化下的输出电压的变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。

瞬态响应：表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化，它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力，也起到了高频旁路的作用。

静态电流：它包括基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流过温检测等电路的工作电流。静态电流越大，稳压器的效率越低。静态电流由拓扑结构、输入电压和温度确定。

最大耗散功率：为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏，LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率，否则可能损坏LDO芯片。

4、拓展：

其他工作框图

Thermal shutdown 过热保护

UVLO 欠压保护

Current limit 电流限制

5、Bandgap 带隙基准

Bandgap voltage reference 最经典的带隙基准是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。

PN结二极管产生压降V(BE),温度洗漱为-2.0mV/℃;热电压V(T)=KT/q，温度系数为+0.085mV/℃。

V(REF)= V(BE)+K V(T);k=2.2/0.085=23.5

在理论实现零温度系数V(REF)=0.65+0.026*23.5=1.26V

由于该电压等于硅的带隙电压，故称为“带隙基准电路”

模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，与电源和工艺参数关系很小，但是和温度的关系是确定的。

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种：

1)与绝对温度成正比;

2)常数Gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数;

3)与温度无关。

要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数，因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数，通过合适的组合，可以得到与温度无关的量，且这些参数与电源无关。