了解低压差稳压器概念以实现最佳设计

低压差稳压器（LDO）是看似简单的器件，可提供关键功能，例如将负载与脏源隔离或为功耗敏感电路创建低噪声源。

本简短教程介绍了LDO使用的一些常用术语，解释了压差、裕量电压、静态电流、接地电流、关断电流、效率、直流线路和负载调节、瞬态线路和负载响应、电源抑制比（PSRR）、输出噪声和精度等基本概念，并使用示例和图表使其易于理解。

LDO通常在设计过程的后期被选中，很少进行分析。本文介绍的概念将使设计人员能够根据系统要求选择最佳的LDO。

压差电压

压差（V辍学） 是输入至输出电压差，在该电压差下，LDO 不再能够针对输入电压的进一步降低进行调节。在压差区域，调整元件的作用类似于电阻，其值等于漏源导通电阻（RDS上).压差，以RDS表示上和负载电流，是

　　VDROPOUT = ILOAD × RDSON

目录上包括来自调整元件、片内互连、引线和键合线的电阻，可通过LDO的压差估算。例如，WLCSP中的ADP151在负载为200 mA时，最差压差为200 mV，因此RDSON约为1.0 Ω。图1显示了LDO的简化原理图。在压差中，可变电阻接近于零。LDO无法调节输出电压，因此线路和负载调整率、精度、PSRR和噪声等其他参数毫无意义。

图1.LDO 的简化原理图。

图2显示了3.0 V ADM7172 LDO的输出电压与输入电压的关系。172 A时的压差典型值为2 mV，因此RDS上约为 86 mΩ。压差区域从大约3.172 V输入电压向下延伸至2.3 V，低于2.3 V时，器件无法正常工作。负载电流较小时，压差相应较低：1 A时，压差为86 mV。低压差使稳压器的效率最大化。

图2.3.0 V ADM7172 LDO的压差区域。

裕量电压

裕量电压是LDO满足其规格所需的输入至输出电压差。数据手册通常将裕量电压显示为指定其他参数的条件。裕量电压通常约为400 mV至500 mV，但有些LDO需要高达1.5 V的电压，裕量电压不应与压差电压混淆，因为它们仅在LDO处于压差时相同。

静态电流和接地电流

静态电流 （IQ） 是当外部负载电流为零时为 LDO 的内部电路供电所需的电流。它包括带隙基准电压源、误差放大器、输出电压分压器以及过流和过热检测电路的工作电流。静态电流量由拓扑、输入电压和温度决定。

IQ = IIN @ no load

当输入电压在160 V至2.5 V之间变化时，ADP5 LDO的静态电流几乎恒定，如图3所示。

图3.静态电流与ADP160 LDO输入电压的关系

接地电流（I接地） 是输入电流和输出电流之差，必须包括静态电流。低接地电流使LDO效率最大化。

IGND= IIN– IOUT

图4显示了ADP160 LDO的接地电流变化与负载电流的关系。

图4.ADP160 LDO的接地电流与负载电流的关系

对于高性能CMOS LDO，接地电流通常远小于负载电流的1%。接地电流随负载电流的增加而增加，因为PMOS调整元件的栅极驱动必须增加，以补偿由其R引起的压降。上.在压差区域，接地电流也会随着驱动器级开始饱和而增加。CMOS LDO在低功耗或小偏置电流至关重要的应用中至关重要。

关断电流

关断电流是禁用输出时LDO吸收的输入电流。基准和误差放大器在关断模式下不上电。较高的漏电流会导致关断电流随温度升高而增加，如图5所示。

图5.关断电流与ADP160 LDO温度的关系

效率

LDO的效率由接地电流和输入/输出电压决定：

效率 =IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

为了提高效率，裕量电压和接地电流必须最小化。此外，输入和输出之间的电压差必须最小化。无论负载条件如何，输入至输出电压差都是决定效率的内在因素。例如，3.3 V LDO在由66 V供电时永远不会超过5%，但当输入电压降至91.7 V时，它将上升到最高3.6%。LDO 的功耗为 （VIN – VOUT） × IOUT。

直流负载调整率

负载调整率是衡量LDO在不同负载条件下保持指定输出电压的能力的指标。负载调整率（如图6所示）定义为

负载调整率 = ∆V外/∆I外

图6.ADM7172 LDO的输出电压与负载电流的关系

直流线路调节

线路调整率是衡量LDO在变化的输入电压下保持指定输出电压的能力的指标。线路调整定义为

线路调整率 = ∆VOUT/∆VIN

图7显示了ADM7172在不同负载电流下的输出电压与输入电压的关系。随着负载电流的增加，线路调节会变差，因为LDO的总环路增益会降低。此外，LDO的功耗随着输入至输出电压差的增加而增加。这会导致结温升高，在这种情况下，带隙电压和内部失调电压降低。

图7.ADM7172 LDO的输出电压与输入电压的关系

直流精度

总体精度考虑了线路和负载调节、基准电压漂移和误差放大器电压漂移的影响。稳压电源的输出电压变化主要是由于基准电压和误差放大器的温度变化造成的。如果使用分立电阻来设置输出电压，则电阻的容差很可能是影响整体精度的最大因素。线路和负载调节以及误差放大器失调通常占总精度的1%至3%。

例如，使用以下工作特性计算 3.3V LDO 在 0°C 至 125°C 温度范围内的总精度：电阻温度系数±100 ppm/°C、±0.25% 采样电阻容差、负载调整率和线路调整率分别引起的±10 mV 和 ±5 mV 输出电压变化，以及 1% 基准电压源精度。

温度引起的误差 = 125°C × ±100 ppm/°C = ±1.25% 

采样电阻引起的误差 = ±0.25%

负载调整率引起的误差 = 100% × （±0.01 V/3.3 V） = ±0.303% 

线路调整率引起的误差 = 100% × （±0.005 V/3.3 V） = ±0.152% 基准误差 = ±1%
 

最坏情况下的错误假定所有错误都在同一方向上变化。

最坏情况误差 = ±（1.25% + 0.25% + 0.303% + 0.152% + 1%） = ±2.955%

典型误差假定随机变化，因此使用误差的平方根和 （rss）。

典型误差 = ±√（1.252+ 0.252+ 0.3032+ 0.1522+ 12） = ±1.655%

LDO永远不会超过最坏情况下的误差，而rss误差是最有可能的。误差分布将以 rss 误差为中心，并扩散到包括尾部的最坏情况误差。

负载瞬态响应

负载瞬态响应是负载电流阶跃变化的输出电压变化。它是输出电容值、电容的等效串联电阻（ESR）、LDO控制环路的增益带宽以及负载电流变化的大小和压摆率的函数。

负载瞬态的压摆率会对负载瞬态响应产生巨大影响。如果负载瞬态非常慢，例如100 mA/μs，则LDO的控制环路可能能够跟随变化。但是，如果负载瞬态快于环路的补偿速度，则可能会出现不良行为，例如由于相位裕量低而导致的过度振铃。

图8显示了ADM7172在1 mA至1.5 A负载瞬态和3.75 A/μs压摆率下的响应。1.5%的0.1 μs恢复时间和最小的振铃表明相位裕量良好。

图8.ADM7172负载瞬态响应1 mA 至 1.5 A 负载阶跃，400 ns（红色）。输出电压（蓝色）。

线路瞬态响应

线路瞬态响应是输入电压阶跃变化的输出电压变化。它是LDO控制环路的增益带宽以及输入电压变化的大小和压摆率的函数。

图9显示了ADM7150对2 V输入电压阶跃变化的响应。输出电压偏差提供了环路带宽和PSRR的指示（参见下一节）。输出电压在2.2 μs内响应1 V变化而变化约5 mV，表明在约60 kHz时PSRR约为100 dB。

同样，与负载瞬变的情况一样，输入电压的压摆率对表观线路瞬态响应有很大影响。缓慢变化的输入电压（在LDO带宽内）可以隐藏振铃或其他不良行为。

图9.ADM7150线路瞬态响应5 V至7 V线路步进，1.5 μs（红色）。输出电压（蓝色）。

电源抑制

简而言之，PSRR是衡量电路抑制电源输入端外来信号（噪声和纹波）以防止它们损坏输出的程度的指标。PSRR 定义为

PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其中 VEIN 和 VEOUT 分别是出现在输入和输出端的无关信号。

对于ADC、DAC和放大器等电路，PSRR适用于为内部电路供电的输入。对于LDO，输入电源引脚为稳压输出电压和内部电路供电。PSRR与直流线路调节具有相同的关系，但包括整个频谱。

100 kHz至1 MHz范围内的电源抑制非常重要，因为开关模式电源经常用于高效电源系统，LDO会清理敏感模拟电路的噪声电源轨。

LDO的控制环路往往是决定电源抑制的主要因素。高值、低ESR电容可能是有益的，特别是在超出控制环路增益带宽的频率下。

PSRR与频率的关系

PSRR不是由单个值定义的，因为它与频率相关。LDO 由基准电压、误差放大器和电源传输元件（如 MOSFET 或双极晶体管）组成。误差放大器提供直流增益以调节输出电压。误差放大器的交流增益在很大程度上决定了PSRR。典型的LDO在80 Hz时可以具有高达10 dB的PSRR，但在几十千赫兹时，PSRR可以降至20 dB。

图10显示了误差放大器的增益带宽与PSRR之间的关系。这个简化的示例忽略了输出电容和调整元件的寄生效应。PSRR是开环增益的倒数，直到增益开始以3 kHz滚降。然后，PSRR降低20 dB/十倍频程，直到在0 MHz及以上时达到3 dB。

图 10.简化的LDO增益与PSRR的关系

图11显示了表征LDOPSRR的三个主要频域：参考PSRR区域、开环增益区域和输出电容区域。基准PSRR区域取决于基准放大器的PSRR和LDO的开环增益。理想情况下，基准放大器与电源中的扰动完全隔离，但实际上，基准电压源只需抑制高达几十赫兹的电源噪声，因为误差放大器反馈可确保低频下的高PSRR。

图 11.典型LDO PSRR与频率的关系

在约10 Hz以上，第二区域的PSRR主要由LDO的开环增益主导。该区域的PSRR是误差放大器增益带宽（直至单位增益频率）的函数。在低频时，误差放大器的交流增益等于直流增益。增益保持不变，直到达到3 dB滚降频率。当频率高于3 dB滚降点时，误差放大器的交流增益随频率降低，通常为20 dB/十倍频程。

高于误差放大器的单位增益频率，控制环路的反馈对PSRR没有影响，PSRR由输出电容以及输入和输出电压之间的任何寄生效应决定。输出电容的ESR和ESL以及电路板布局在这些频率下对PSRR有强烈影响。仔细注意布局对于减少任何高频共振的影响至关重要。

PSRR与负载电流的关系

负载电流会影响误差放大器反馈环路的增益带宽，因此也会影响PSRR。在轻负载电流（通常小于50 mA）下，调整元件的输出阻抗很高。由于控制环路的负反馈，LDO的输出似乎是理想的电流源。由输出电容和调整元件形成的极点发生在相对较低的频率下，因此PSRR在低频时趋于增加。输出级在低电流下的高直流增益也倾向于在远低于误差放大器单位增益点的频率下增加PSRR。

在重负载电流下，LDO输出看起来不太像理想的电流源。调整元件的输出阻抗降低，降低输出级的增益，降低直流与反馈环路单位增益频率之间的PSRR。PSRR会随着负载电流的上升而急剧下降，如图12所示。当负载从400 mA增加到800 mA时，ADM7150的PSRR在20 kHz时降低1 dB。

输出级带宽随着输出极点频率的增加而增加。在高频下，PSSR应该由于带宽增加而增加，但实际上，由于整体环路增益的降低，高频PSRR可能不会改善。一般来说，轻负载时的PSRR比重负载时的PSRR更好。

图 12.ADM7150电源抑制与频率的关系V外= 5 V， V在= 6.2 V.

PSRR与LDO裕量的关系

PSRR也是输入至输出电压差或裕量的函数。对于固定裕量电压，PSRR随着负载电流的增加而降低;这在重负载电流和小裕量电压下尤其明显。图13显示了5 A负载下7172 V ADM2的PSRR与裕量电压的差异。

随着负载电流的增加，调整元件（ADM7172的PMOSFET）的增益会降低，因为它离开饱和状态并进入三极管工作区域。这会导致LDO的总环路增益降低，从而降低PSRR。裕量电压越小，增益降低越明显。在较小的裕量电压下，控制环路根本没有增益，PSRR降至几乎为零。

降低环路增益的另一个因素是调整元件RDS的非零电阻上.RDS 两端的压降上由于负载电流从调整元件的有效部分的裕量中减去。例如，对于1 Ω调整元件，200 mA负载电流可将裕量减少200 mV。在1 V或更低的裕量电压下工作LDO时，在估算PSRR时必须考虑此压降。

在压差中，PSRR是由于RDS形成的极点上和输出电容。在非常高的频率下，PSRR将受到输出电容ESR与RDS之比的限制上.

图 13.ADM7172电源抑制与裕量的关系，V外= 5 V，2 A 负载电流。

比较 LDO PSRR 规格

比较 LDO PSRR 规格时，请确保在相同的测试条件下进行测量。许多较旧的LDO仅将PSRR指定为120 Hz或1 kHz，而未提及裕量电压或负载电流。至少，电气规格表中的PSRR应针对不同的频率列出。理想情况下，应使用不同负载和裕量电压下PSRR的典型特征图进行有意义的比较。

输出电容在高频时也会影响LDO PSRR。例如，1μF 电容器的阻抗是 10μF 电容器的 10×。当频率高于误差放大器的单位增益交越频率时，电容值尤其重要，因为电源噪声的衰减是输出电容的函数。比较PSRR数字时，输出电容的类型和值必须相同，比较才有效。

输出噪声电压

输出噪声电压是在恒定输出电流和无纹波输入电压条件下，给定频率范围（通常为10 Hz或100 Hz至100 kHz）内的均方根输出噪声电压。LDO中输出噪声的主要来源是内部基准电压和误差放大器。现代LDO以仅几十纳安的内部偏置电流工作，以实现15 μA或更低的静态电流。这些低偏置电流需要使用高达GΩ的偏置电阻。输出噪声范围通常为5 μV rms至100 μV rms。图14显示了ADM7172的输出噪声与负载电流的关系。

一些LDO（如ADM7172）可以使用外部电阻分压器将输出电压设置为初始设定点以上，例如，允许1.2 V器件提供3.6 V输出。可以在该分压器上添加降噪网络，将输出噪声恢复到接近原始固定电压版本的水平。

图 14.ADM7172输出噪声与负载电流的关系

表示LDO输出噪声的另一种方法是噪声频谱密度。在给定频率下，1 Hz带宽上的均方根噪声在宽频率范围内绘制。然后，该信息可用于计算给定带宽下特定频率下的均方根噪声。图15显示了ADM1在10 Hz至7172 MHz范围内的噪声频谱密度。

图 15.ADM7172噪声频谱密度与负载电流的关系

结论

LDO 是提供关键功能的简单设备。必须考虑许多因素才能正确应用它们并获得最佳结果。通过对常用LDO术语的基本了解，设计工程师可以成功地浏览数据手册，以确定对设计最重要的参数。

审核编辑：郭婷