低压差线性稳压器(LDO)设计应用指南

1.前言

电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电，还是由蓄电池组供电，工作过程中，电源电压都将在很大范围内变化。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净（无纹波、无噪声），以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求，应在电源的输入端加入线性稳压器，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。LDO就是最常用的线性稳压器，本文论述了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理和主要参数，并介绍LDO的典型应用和常用设计。

2.术语、定义和缩略语

本文使用的专用术语、定义见表2.1。

表 2.1 专用术语、定义及缩略语

术语/定义	英文对应词	含义
LDO	Low Dropout Regulator	低压差线性稳压器
ESR	Equivalent Series Resistance	等效串联电阻

3.稳压器的分类

稳压器是用于提供一种不随负载阻抗、输入电压、温度和时间变化而变化稳定的电源电压。它的分类可以有很多种，可以按材料分类，按工作状态分类，按电流分类等等，下面就几种典型分类来进行说明，以使大家能够对本文所要重点讲述的LDO有更深一步的认识。

3.1.线性稳压电源和非线性稳压电源

稳压器的核心是调整管，调整管是三极管用在电源调压稳压负荷时的称谓，此时它的作用是调整电源电流、电压的，故称调整管。根据稳压器内调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和非线性稳压电源。

3.1.1.非线性稳压器

顾名思义，线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源；非线性稳压器，是调整管工作在非线性状态下的稳压器。

开关电源是最典型的非线性稳压器，在工作时，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）工作在开、关两种状态下：

开——电阻很小；关——电阻很大。

开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。

图3.1 开关电源基本原理

如图3.1所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。

在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

3.1.2.线性稳压电源

通常所说的线性稳压器，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工作在线性状态下，可这么来理解：RW（见下面的分析）是连续可变的，亦即是线性的。

线性稳压电源调节电压的原理可以用图3.2来表述。

图3.2线性稳压器原理

如上图所示，可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为：Uo=Ui×R L /(R W +R L )。因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。还要注意，这个图并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念----实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，或就是用了，也只是辅助方法而已。

如果用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。

像图3.2所示的那样，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压。所谓并联的意思，就是像图3.3中的稳压管那样，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”。

由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源最主要的一个缺点。

3.3 并联型线性稳压器

一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。图3.3是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

线性稳压器的一个最大缺点是调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，因此在电路中使用受到效率的制约。近年来，低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO（quasi-LDO）出现让线性稳压器大量的应用在电路中，后面的章节会详细介绍。

3.1.3.开关电源的优缺点

开关电源具有功耗小，效率高的优点。在图3.1中的开关稳压电源电路中，开关K在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管K的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80％。

　　体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管K上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

　　稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

　　滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1／500，1／1000。

　　电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管K工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

3.2.线性稳压器的基本原理

几乎所有的稳压器将输出电源稳定都利用了相同的技术，稳压器输出电压通过反馈到误差放大器输入端的分压电阻采样。误差放大器的正端连接到一个参考电压。这个参考电压是由内部的带隙参考源产生的。误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此，它提供负载电流以保证输出电压稳定。

如图3.4所示，取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Vref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制

图3.4 稳压器的基本原理框图

Uout = Vref(1+R1/R2)

3.3.线性稳压器的分类

线性稳压器有很多种分类方式，例如可按静态电流分类，可以分为OmniPower、MicroPower 、NanoPower三种产品；也可以按照压差进行分类，分为标准稳压器，准LDO和LDO，即低压差线性稳压器；还可以按照调整管的类型分类。

OmniPower LDO的静态电流在100uA1mA之间，是一种静态电流稍大但性能优于三端稳压器的新型线性稳压器，适用于使用AC/DC固定电源的所有电子产品，因其需求量大，生产量大，而生产成本极低，价格十分便宜。MicroPower LDO的静态电流在10uA100uA之间，是一种微功耗的低压差线性稳压器，它具有极低的自有噪音和较高的电源纹波抑制(PSRR)，具有快捷的使能控制功能，给它一个高(或者低)的电平可使它进入工作状态或睡眠状态，具有最好的性能/功率比，在需要低噪音的手机电源中必然使用。NanoPower LDO的静态电流小于10uA，通常只有1uA，是一种微功耗的低压差线性稳压器，具有极低的静态电流，稳压十分精确，最适用于需要节电的手提电子、电器产品。

标准稳压器大多使用NPN 达林顿管（图3.5），因此在本文中称其为NPN 稳压器。在NPN稳压器的内部使用一个PNP管来驱动NPN达林顿，因此器件的输入输出之间会有1.5V到2.5V的压差。这个压差（dropout voltage）为：

Vdrop ＝ 2VBE ＋VSAT（NPN REG）

图3.5 NPN稳压器

准LDO在一些应用中被广泛的采用（例如：5V变3.3V）（图3.6）。准LDO因为它介于NPN稳压器和LDO之间因此得名。它的调整管是由单个PNP管来驱动单个NPN管。因此，它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间：

Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat

3.6 准LDO

在LDO中，调整管一般是一个PNP管（图3.7）。LDO的最大优势就是PNP管只会带来很小的导通压降：

Vdrop ＝ Vsat （LDO 稳压器）

图3.7 PNP LDO

满载的跌落压降一般小于500mV。轻载时的压降只有10到20mV。

3.4. LDO的结构

LDO的结构区别，主要是调整管的类型不同。常见的有如图3.8所示四种类型调整管： NPN双极型晶体管、PNP双极型晶体管、复合晶体管和PMOS晶体管，不同结构和类型的LDO有不同特性。

图3.8调整管的类型

对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流。PNP优于NPN，因为PNP的基极可以与地连接，必要时使晶体管完全饱和。NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个VBE结压降。因此，NPN管和复合调整管不能提供小于1 V的压差。然而它们在需要宽带宽和抗容性负载干扰时非常有用（因为它们具有低输出阻抗ZOUT特性）。

近年来很多新型LDO使用PMOS晶体管作为调整管。如图3.9所示。

图3.9 PMOS晶体管LDO

为了了解使用PMOS晶体管 LDO的好处，必须先注意到在PNP LDO（如图2.5）中要驱动PNP功率管就需要基极电流。基极电流由地脚流出并反馈回输入电压的负端。因此，这些基极驱动电流并未用来驱动负载。它在LDO中耗损的功耗由下式计算：

PWR（BaseDrive）＝Vin×Ibase

需要驱动PNP管的基极电流等于负载电流除以β值（PNP管的增益）。在一些PNP LDO中该β值一般为15-20（与负载电流相关）。由此基极驱动电流产生的功耗不是所期望的（尤其是在电池供电应用中）。使用PMOS晶体管可以解决这个问题，因为它的栅极驱动电流很小。

PMOS晶体管 LDO另一个好处是通过调整FET的导通阻抗可以将稳压器的跌落电压作的很小。对于集成的稳压器而言，在单位面积上制造的FET的导通阻抗会比PNP三极管的导通阻抗低。这就可以在更小封装下产生更大的电流。

3.5.几种线性稳压器的性能比较

NPN，LDO和准LDO在参数上的最大不同就是：跌落电压（dropout voltage）和地脚电流（ground pin current）。

图 3.10 稳压器

为了便于分析，定义地脚电流为IGND ，如图3.10表示。并忽略了IC漏到地上的偏置电流。可以很清楚的知道，IGND等于负载电流IL除以调整管的增益。

在NPN稳压器中由于达林顿管的增益很高，所以它只需很小的电流来驱动负载电流。因此它的地脚电流也很低（一般只有几个mA）。准LDO也有较好的性能，就像国半的LM1085可以输出3A的电路却只有10mA的地电流。LDO的地脚电流一般会较高。在满载时，PNP管的β值一般也就15-20。也就是说LDO的地脚电流一般为负载电流的7%。

NPN稳压器的最大好处就是无条件的稳定（不需外部电容）。LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽（loop bandwidth）及提供一些正相位补偿（positive phase shift）。准LDO一般也需要一些输出容性，但是要小于LDO的要求，并且电容的特性局限也要少些。

关于各种结构线性稳压器差别，可以见下面的表3.1。随着工艺日趋成熟，CMOS LDO成本越来越低，它的应用会越来越广泛。

表3.1 各种结构线性稳压器区别

结构	NPN	PNP+NPN	PNP	PMOS
类型	标准稳压器	准LDO	LDO	LDO
调整管
IGND	低	较低	高	低
VDO	高	较高	较低	低
Noise	低	低	低	低
Cost	低	低	低	高