LDO电路的基本原理 介绍三种使用分立元件搭建的LDO

前言

LDO是大家最常见的电源芯片了吧，虽然存在效率不高的缺点，但相对于开关电源纹波更小、电路规模通常也更小，适用于低压差、小功率的应用场合。

在大多数场合我们都是用1117、7805这种IC来制作我们的电源。那我们可否在满足要求的情况下，使用分立元件来实现更低成本的LDO呢？

今天针对不同的应用场景，介绍三种使用分立元件搭建的LDO：

1.低成本 2.输出电压可调 3.精确输出

原理不难，但若使电路可用，需认真设定每个元件的参数，Let’s do it

仿真软件版本

文章中的实验通过Multisim软件进行仿真，有需要的同学自取↓

使用三种电路分别实现：

1、相对于LDO芯片实现更低成本;   2、输出电压可调； 3、随着负载加大依然可以保证精确输出。

LDO电路基本原理

在介绍电路之前，需要先说明一下LDO电路工作的基本原理↓

电路三极管的CE承受不需要的电压，也就是Vin-Vout，将这些多余的能量以热能的形式挥发出去(在使用LDO电路时保证封装符合散热要求)。

利用稳压管，在三极管B与GND之间形成稳定电压，由三极管BE约0.6V的压降后形成输出电压。

如何实现稳压？

当负载存在波动， Vout过高，则Ube减小，三极管Uce增大，Vout减小； Vout过低，Ube增大，则三极管Uce减少，Vout增高； 如此实现稳压的目的。

LDO的基本原理我们知道后，下面介绍三种分立元件搭建的LDO电路！在文章的最后我会说明各个元器件的作用与取值。

1.低成本的LDO电路

先贴出电路图和结果↓

 

 

下图中 蓝色为输入15V（加入1V/50HZ 输入干扰），黄色为输出为12V。

 

 

通过实验我们可以看到输入的纹波经过LDO电路后被削弱了很多，这也就是LDO电路的优势！

下面我们就来对比一下使用LDO芯片和分立元件所搭建的电路的成本↓

输出端滤波电容C3、C2由于无论是L7805还是分立元件搭建，都要有，所以不在成本比较的范围内，L7805一枚的成本市场价在0.5-1元。

使用分立元件搭建的LDO约0.22元，为更低成本的选择。

2.输出电压可调的LDO电路

在上文所介绍的低成本LDO电路可以满足固定输出电压条件下的应用需求，但是若我们要求输出电压可调的LDO又应该怎么实现呢？电路图如下↓

↑图中的电路即为输出电压可调的LDO电路，将稳压管替代为普通二极管IN4007（其他的普通二极管也可以），并增加了三级管Q2、电阻R3、R4用于输出电压的调节。

输出电压的计算与调节原理：

输出电压通过R3、R4分压后，R4的对地电压等于三极管Q2基极的对地电压。 我们近似的认为Q2 BE的导通电压和D2的导通电压均为0.6V，那么R4的对地电压就固定为1.2V。

＝＞　Vout*R4/（R4＋R3）＝1.2V　　 ＝＞　Vout＝1.2V *（1+R3/R4）

下面再来看看什么决定了R３、R４的数量级。

若输出Vout = 6V ，则Q1的基极电压Vq1b = 6.6V，则电阻R2流过的电流为（12-6.6）/ 1K = 5.4mA。

当输出电流Iout=100mA时，Q1的基极电流Iqb1 = 2mA,则由节点电流法可知Q2的C级以及E级电流为3.4mA,那么Q2基极电流应该为170uA左右，则反馈电阻R3、R4流过的电流应远远大于170uA，所以1-2mA比较合适。

则R4取值为1K。若要输出6V那么通过Vout＝1.2V *（1+R3／R4）计算得知R3为4K，通过输出结果校正后当R4=1K、R3=3.65K时输出为6V，当需要调整输出端电压时通过调整R3即可。

3.精确输出的LDO电路

之前所介绍的1.低成本的LDO电路、2.输出电压可调的LDO电路都存在一个问题，那就是在负载增大时输出电压会出现下降，如下图所示↓

标准负载↓

负载增大↓

负载再增大↓

通过不断增加负载我们可以看到输出电压分别为6.04V、6.00V、5.88V，出现了一定的偏差，我们来分析一下原因↓

当负载加大时LDO产生输出误差的原因

当负载增大时，由于输出电流增大，那么三极管Q1的基极电流便会增大，则保证稳压的稳压管或者普通二极管流过的电流减小，流过不同的电流值就会导致稳压管级二极管两端的压降不同，由于参考电压产生了变化，输出产生误差则是必然！

我们来看一下稳压管和普通二极管的工作曲线↓

①稳压管工作曲线

当流过稳压管的电流Iz变化时，稳压电压Uz会略微变化，这就会产生输出误差。

②普通二极管工作曲线

当流过二级管的正向电流变化时，正向导通电压U会变化，这也会产生输出误差。

下面将介绍的精确输出的LDO电路为了解决负载加大时的输出误差。

使用运算放大器（射级跟随器）来作为参考源，使用运算放大器产生的参考电压误差会大大减小，精确的参考电压就保证了精确的输出电压。

我们先来看下效果↓

 

 

 

 

 

在仿真中，负载变化，但是输出电压精准的保持在6V，相比于之前的LDO精度提高了很多。在仿真中如此，在实际的应用中也如此，使用此中的LDO输出精度会取得相当大的改善！

实际搭建电路时要注意的器件参数

①首先是三极管的确定 

由于我们要求的输出电流是50mA，为留有余量，IC>=100mA；Uce max >= 15V。满足这一要求的NPN三极管有很多，我们选用multisim库中的2N2712。功率为P= 6*0.03 = 0.18W,SOT23封装的功率为如下：

为保险起见，我们可以在实际制作时使用TO92封装三极管。

三极管的其他参数也贴出来，符合本电路的应用要求↓

②稳压管的确定

以本文第一个电路为例若我们要实现12V的输出，加上三极管BE电压0.6V，要求稳压管12.6V。但是没有12.6V的稳压管，那我们选13V的稳压管 1N4468。

1N4468的参数如下↓

我们重点看IZK，也就是最小稳压电流，这里是1mA，只有在IZ大于1mA时 稳压二极管才能稳压，我们为保险起见，取2mA。 

=>那么原理图中的R1 = （15-13）/0.002 = 1K；

=>稳压二极管的功耗 = 0.002*13 = 0.026W;

=>电阻的功耗 = (0.002+ib)*2。ib 约为 ic/80，也就是0.6mA左右。

=>则 电阻功耗= (0.003)*2 = 0.006W;

功耗很小，稳压二极管的功耗和电阻封装都满足功耗要求。

③滤波电容的取值  

遵循公式↓

 

 

I 是放电电流， V 为纹波，f为频率（开关频率及负载工作频率）

这里的计算只是参考，实际搭电路的时候可以根据实际情况自行调整。

④去耦电容的取值

去耦电容C2一般取值为滤波电容的1/5-1/10，可根据实际效果进行调整。

硬件工程师及从业者都在关注我们

文章来源面向搜索
 

审核编辑：汤梓红