LDO线性稳压器电路图讲解

线性稳压器 Linear regulator，我们一般称为 LDO。LDO 是英文 Low Drop Out 的首字母缩写，其中的 Drop Out是指线性稳压器输入端到输出端之间的电压差，前面加了一个 Low 之后，其词性就变成了一个形容词，形容此线性稳压器在工作中可以在很小的电压差下输出稳定的电压，但可能是由于说“低压差线性稳压器”太复杂了， LDO 就变成了它的代名词。在实际的线性稳压器中，实现调压功能的关键组件是一个调整管，它就像一个可变电阻一样串接在供电源和负载之间，当输入电压或是负载电流发生变化时，受误差控制电路驱动的调整管就及时调整其呈现出来的电阻量，使得负载端的电压总是处于恒定状态，下图展示了这一系统的内部结构：

从上图中我们可以看到，线性稳压器的压差 (Drop Out) = Vin - Vout = Iout * R，其中 Iout 是由负载决定的， R 则是调整管本身的特性，只有 R 可以足够小，压差才可以足够小，所以最小的 R 就成了器件的关键特性之一。但要测量一个器件的最小 R 可不容易，这项指标就被转化为一定负载电流下的最小压差，这不过是欧姆定律的一项简单应用而已，所以已被广泛接受。

要用最低的成本实现最小化的 R，最好用的方法是采用 nMOSFET 来做调整管，但 nMOSFET 需要使用高于其源极的电压去驱动其栅极，这样就需要使用高于输出电压至少 1V 以上的电压源来做驱动。

但在很多系统中，我们可能没有更高电压的电压源可供使用或是使用起来不方便，这时就只有单一的电源供应了。在此情况下继续采用 nMOSFET 作为调整管就意味着输入输出间的压差必须高于 1V，为了摆脱这种限制，采用 pMOSFET 做调整管的器件就成了市场上的主流，因为它的驱动电压是低于输入电压的，而成本也是接近最优化的。下图显示了这种稳压器的结构：

以上两种形式的 LDO 都是 MOS 工艺的产品，在性价比方面是无与伦比的，又能满足大多数系统的需要，所以成为了目前市场上的主流产品。但使用 MOS 工艺设计制造的产品却也有自己难以克服的一些缺陷。例如，在 MOS 工艺的 LDO 中存在从输出端到输入端之间的寄生二极管。当输入端电压低于输出端电压时，将有电流从输出端经此二极管流向输入端，当流入输入端的电荷累积起来形成的电压超过器件的启动电压时，其调整管甚至会进入导通状态。这种效应在某些情况下可能是不希望发生的。这时我们常常需要加入防反向二极管。

接下来我们以一款LDO RT9068为例，讲讲LDO的典型应用。芯片内部图如下：

RT9068是一款高耐压，低静态电流的LDO,最小压差300mV.这些特点，使得它可以满足很多环境苛刻的应用的需要，例如车载电子设备、工业控制设备、电池供电设备等。

LDO 自身的发热量是由它的功耗决定的，其计算公式如下：

其中， PD 是器件自身的功耗，单位是 W；Vin 是输入电压，单位是伏特，计算时需要用可能的最高输入电压数据；Vout 是输出电压，这是在选型和设计时确定的；Iout 是输出电流，单位是安培，同样需要使用可能的最大输出电流来进行计算；IQ 是器件的静态电流。由于 IQ 非常小，所以此计算公式可以被简化为如下：

可能是出于满足宽输入电压范围的考虑， RT9068 在设计上仅考虑为负载提供 50mA 的电流。我们从前面的功耗计算公式中可以看到，在输入电压很高的情况下，小小的电流就会造成很大的功耗，所以我们通常并无必要提供大电流输

出能力，真有这样的需求时，我们完全可以采用 Buck 架构的降压电路来满足很多应用的需求，甚至 Buck + LDO 的架构也可以被考虑，但由于 Buck 的引入，开关噪声也被引入了，这在某些应用中可能是不能容许的，这时候就必须使用大电流的线性稳压器。此时，下述电流扩展电路可以派上用场：

上图是一个电流扩展电路，通过外接的晶体管将电流扩展到能够满足实际需要的水平。由于大电流晶体管的电流放大系数通常不是很大， RT9068 输出的最大 50mA 的额定电流不一定能满足晶体管驱动的需要，这时，你就需要使用达林顿

晶体管来实现此电路。

下图是加入限流功能的电流扩展电路

上图电路的限流功能是通过 R3 的负反馈来实现的。当电流流过R3时形成的电压降使得落在晶体管基极和Vout之间的电压不能使得其电流再增加时，限流作用就呈现出来了。也就是说晶体管基极和Vout之间的电压被两个二极管给钳位了，也就是R3上的电压降被限制了，即R3上的电流被限流了。设计时要注意晶体管基极到最后的输出端之间的电压是被两个串联的二极管所钳制的，如果 RT9068 试图通过提高其 VOUT 端的输出电压来增加输出电流，其增加的输出就会通过两个二极管流向 VOUT 端，从而使得这一愿望落空。如果没有这两个二极管的存在，上述的限流作用是无法实现的。当然，限流电路的加入也带来了不足，那就是输入输出端之间的最小压差加大了，这在某些应用场合中可能带来了新的限制，改善这一参数的方法是选择具有合适正向压降的二极管和其他的配套参数。有兴趣的朋友还可以去尝试其他方法，例如使用运算放大器来做电流反馈就是更有效的方法，只是这样的设计就更复杂了。

作者：喝枸杞论电子

　　审核编辑：汤梓红