提升LDO性能实现低功耗精密电压输出

电子发烧友网报道（文/李宁远）电流环路，自20世纪50年代开始，就已经成为过程控制系统中信号传输和电子控制的标准。很多电流环路的电源是通过LDO来提供的，这是一种简单而又经济的方法，可在多种应用中将较高的输入电压转换为稳定的输出电压。
 
LDO的热性能影响
 
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VIN与VOUT差值较小的应用。我们知道DC/DC的效率普遍是高于LDO的，其实当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效率其实并不低。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。
 
这一点很好理解，不考虑接地电流的情况下，LDO的输入电流和输出电流是相等的， 那么输入和输出电压相差得越多，则就有更多剩余功率都耗散在 LDO中，这导致剩余的电能转化为热量，影响功耗影响效率。
 
LDO的热性能是衡量封装器件将热量从裸片传递到PCB的指标，如果封装不能很好地耗散功率，那裸片会发热导致器件关断，长此以往可靠性也会降得很低。PCB的设计和布局以及散热焊盘尺寸会明显影响到LDO的热性能。所以有时候并不能一味地追求小封装，尺寸上的稍稍增加能使得温升进行得更慢，在小型化和散热性能上需要做取舍衡量。
 
在LDO设计布局中可以尽可能多地将铜连接到LDO散热焊盘，增大散热尺寸，并在LDO周围规划散热过孔，这都能有效帮助LDO提升散热能力。
 
降低LDO功耗延长运行时间
 
降低功耗是现在各种电源芯片都重点设计的一个环节，降低静态电流是行之有效的一个办法，但前提是静态电流的降低不会降低整体设备的系统性能。LDO如果能提供低的待机功耗和出色的负载瞬态响应，那么相关设备就能在维持主要性能的同时最大限度地延长整机电池的运行时间。
 
静态电流是指LDO空载和非开关但启用状态下消耗的电流，对于LDO来说这一电流的主要贡献来自电压参考和误差放大器。另一个和静态电流相关的是LDO的Dropout电压，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。
 
如果输入/输出电压降低到Dropout电压，则LDO电路中的FET栅极的驱动电压将达到其工作极限。在这个过程中，当所有这些内部回路都饱和时，静态电流通常会大幅上升。所以LDO需要使用平衡的差动驱动电路来保持合理的静态电流，即使是在Dropout状态。
 
噪声与LDO
 
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。
 
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。加上前馈电容是提高LDO整体性能很好的办法，既能改善噪声性能，也有提供更快的负载瞬态响应，对于PSRR也有帮助。
 
噪声抑制尽可能还是要在LDO内部做文章，增加额外器件会增加成本与体积，合理且灵活的内部设计更契合现在的趋势一些。
 
小结
 
不同应用的方向LDO看重的性能不尽相同，有的看重低噪声和高电源抑制能力，有的看重功耗，有的看重LDO对负载的调整能力。对很多需要低功耗的精密输出电压应用来说，LDO都是很合适的选择。