电压转换中的LDO

电子发烧友网报道（文/李宁远）在电压转换中，LDO和DCDC是经常用到的两种方式。众所周知DCDC转换器的优点在于效率高，电流输出大，静态电流小。相比较于DCDC转换器，LDO是一种压降更低、噪声更低、成本也更低的器件。
 
传统的线性稳压器输出电压条件很严苛，这才有了LDO类的电压转换器件的诞生。压降太大，消耗在线性稳压器上的能量会增加不少，这时候就很容易影响效率。LDO可以看作低压差加线性加稳压器。
 

 
LDO中的Dropout
 
从LDO的命名（low-dropout regulator）就可以看出，这种器件最典型的特征就是dropout。按最基本的说法，dropout描述了适当调节所需的VIN和VOUT之间的最小值。Dropout电压也就是指输入电压VIN必须保持在所需输出电压VOUT以上的最小电压差。LDO可以在输入电压降低时持续保持输出电压不变，直到输入电压逼近输出电压加上这个压差。
 
我们知道DCDC的效率普遍是高于LDO的，其实如果输入电压和输出电压很接近，那么LDO稳压器也能达到很高的效率，也就是压差足够小的情况下，LDO效率也不会很低。但如果并不接近，压差太大，消耗在LDO上的能量会增加不少，既会增加器件功耗又会影响效率。很多因素都会影响这个压差，比如负载电流和结点温度，但从根本看，这个压差本质上是由LDO的体系架构决定——PMOS LDO架构和NMOS LDO架构。
 
PMOS LDO架构在较高的输出电压下将具有较低的压差，NMOS LDO架构在低输出电压下实现较低的压差。二者相较来说PMOS架构会更常见一些，因此LDO一般不会走大电流，小电流场景PMOS LDO架构更适合，在大电流场景NMOS LDO架构更适合。
 
相辅相成的LDO与电容
 
LDO需要的外接元件不多，一到两个旁路电容即可，相比于DCDC需要外接的电感、二极管、电容这些算得上是非常简单了。虽然简单，但是电容却十分重要，它与LDO相辅相成，合适的电容选择才能让LDO稳定地正常工作。
 
电容的制成材料有很多种，每种不同材料的电容在应用时都会有各自的优缺点，通常来说，陶瓷电容都会是不错的选择，陶瓷电容的变化最小，而且成本也很低。电容值的变化会直接影响LDO控制环路的稳定性，增加电路的不可预测行为。标注的电容值可能和实际它能提供的电容天差地别，可能是因为直流电压偏差导致，可能是温度导致，因此选择合适的电容是LDO关键中的关键。
 
电容器的动态特性导致其在没有外加电场的情况下可能会发生一些自发极化，这使电容具有初始电容。可以对电容器施加外部直流电压，产生一个电场逆转初始极化，直流偏置特性不佳的电介质就不适合与LDO一起使用。温度上按照电容器指定的温度等级划分，大部分LDO结温在-40℃到125℃，在这个温度范围，X5R或X7R电容是比较合适的。LDO可以与很多这种小型陶瓷电容配合使用，前提这些电容的寄生等效串联电阻足够低。
 
LDO的低噪声
 
LDO的优缺点都非常明显，只能实现降压，而且因为效率，发热，最小压差等因素其应用场合进一步受限。但在敏感的模拟电路中，往往需要稍微牺牲效率来保证电源在更低噪声下的纯净。当然LDO作为电子器件也会有噪声，噪声来源分为内部噪声与外部噪声。
 
外部噪声的抑制能力PSRR在LDO的数据表中都会详细标注出来，和LDO的整体设计相关。想进一步提高外部噪声抑制也可以通过额外增加滤波等手段来实现。内部噪声集中在噪声频谱的低侧，这种噪声主要来自内部参考电压，也有可能来自误差放大器、场效应晶体管和电阻分压器。大多数LDO内部噪声的抑制能力并不像PSRR会在器件的参数上标注出来，要降低内部噪声可以在带隙基准源和误差放大器之间加用于降噪的电容实现低通滤波，过滤内部电压噪声，也可以在反馈电阻上增加前馈电容，二者效果类似。很少会选择降低误差放大器带宽来抑制内部噪声，这会降低器件的动态性能。
 
在模拟电路中，LDO抑制噪声的能力非常重要，抑制来自上游电源和下游负载的噪声的同时自身不给电路增加噪声。
 
小结
 
热性能对LDO性能的提升也不小，LDO 的本质是通过将多余的功率转化为热量来调节电压，从而使该集成电路非常适合低功耗或压差值较小的应用。想更大限度地提高LDO的性能可以从合适封装着手提高器件的热性能。