低压差线性稳压器LDO的稳压特性及稳压过程概述

低压差线性稳压器（Low dropout regulator），通常简称为“LDO”，是一种线性稳压器，它通过内部负反馈自动调节晶体管或场效应管（FET）在线性区域所占用的电压，从输入电压中获取稳定的输出降额电压。

下图为LDO典型应用电路图

输入电压Vi施加到LDO芯片输入后，被降压成输出电压VO驱动负载（电灯泡），这里的输出电压VO（Output Voltage） 是LDO的一个重要参数，一般工程师在进行选型时首先考虑的就是输出电压。

LDO有固定输出电压（Fixed）和可调输出电压（Adjustable）两种。固定输出电压LDO使用比较方便，经过厂家精密调整后的输出电压精度很高，但是其设定的输出电压数值均为常用电压值（如1.2V、 2.5V、3.3V、5V等），不可能满足所有的应用场合要求，这时可以使用可调输出电压类型的LDO，只需要调整外接元件数值即可在一定范围内进行输出电压的调整。

有人可能会说了：什么烂编剧，不就是个降压嘛，我用电阻分压不是一样的？我要退票！

下面我们详细讲解LDO的稳压特性，这是普通电阻分压所不能提供的。LDO的基本原理与通用串联型稳压电路是一致的，其基本结构如下图所示：

其中，三极管Q1为电压调整管，电阻R3、R4及可调电阻RP1用来对输出电压VO进行电压采样，D1为稳压二极管，与电阻R2配合为三极管Q2的发射极提供稳定的 参考电****位VREF（Reference Voltage） ，三极管Q2用来对参考电压与采集到的输出电压进行比较，R2为Q1与Q2提供静态偏置电压。

当电路还没有施加输入电压时，三极管Q1与Q2均处于截止状态，此时夜静阑珊，万籁俱寂。

如果对该电路施加输入电压V i （暂时还没有接负载）时，输入电压Vi经电阻R1、三极管Q1的发射结V BE1 、R2、D1（或R3、R4、RP1）为三极管Q1提供基极电流，由于三极管Q1的集电极电位最高，基极电位次之、发射极电位最低，三极管处于放大状态，如下图所示：

此时此刻，上图的等效电路如下所示：

可以看到，这个电路就是一个共集电极放大电路，其中的电阻RX表示R2、R3、R4、RP1、D1等效的总电阻，此时三极管Q1处于放大状态，输出VO也有一定的电压，但电路还没有稳压能力。

下一刻，三极管基极电压VB2由电阻R3、R4、RP1分压获取，如下式：

三极管发射极电位VE2是VO通过R2、D1稳压电路获取的恒定参考电压V Z ，通常这个参考电压稍大于1V，而三极管的集电极电位VC2由Vi通过R2提供，很明显，三极管Q2的三个极电位V C >V B >V E ，集电结反偏，发射极正偏，三极管Q2处于放大状态。

三极管Q2将基极电流IB2放大后，产生集电极电流IC2并将其集电极电位VC2拉下来，继而使三极管Q1的基极-发射极电压VBE1下降，引起IB1与IC1相继下降，集电极-发射极电压VCE1升高，输出电压VO会比三极管Q2没有接入时会下降一些，三极管Q2接入后电路形成负反馈并达到稳态。

此时电路中虽然还没有接负载，但放大电路回路已经形成，因此必然会有一定的电流，称为 静态电流（Quiescent Current） ，也有些规格书称之为 接地电流（Ground Pin Current） ，这个电流要求越小越好。

有些LDO芯片（特别是低电压输出的）必须外接负载才有正确的电压输出，它需要一定的负载电流才能维持内部正常的调整行为，这个电流的最小值称为 最小负载电流（Minimum Load Current）

下面我们将电路接上负载（电灯泡），看看情况会有什么不一样，如下图所示：

由于负载肯定会有一定的电阻值（通常比等效电阻RX小多了），当负载如上图所示接到电路中时，相当于等效电阻RX与RL并联，相当于Q1集电极对地的电阻下降了，由于此时回路电流I还没有变化，根据欧姆定律V=R×I，则输出VO势必会下降。

电阻R3、R4、RP1是对输出电压VO进行分压采集，因此三极管Q2的基极电位VB2电位相应也会下降，而Q2的发射极因为D1、R2提供稳定的参考电位V Z ，则有V BE2 =V B2 -VZ下降，继而导致Q2的基极电流IB2与集电极电流IC2相继下降。

三极管Q2的集电极电流IC2下降将导致Q2集电极电位VC2上升，则有Q1的发射结电压V BE1 =V B1 -V E1 =V C2 -V E1 =V C2 -VO上升（记住前提条件，输出电压VO是下降的），其基极电流IB1与集电极电流Ic1亦相继上升，从而导致VCE1下降。

输入Vi是一直恒定不变的，因此有输出电压V O =V i -VCE1上升

可以看到，电路刚刚接入负载的一瞬间，输出电压是下降的，但是经过一系列比较反馈调整后，输出电压又上升了，亦即输出电压回升到没有接入负载时的电压，也就是说，不管有没有接入负载，输出电压都可以稳定到同一个数值。

这个稳压的过程可以如下所示：

事实上，这里的三极管Q1就相当于可调电阻R Q1 ，负载电灯泡就相当于电阻R L ，如下图所示：

当负载重了（即RL阻值变小），输出电压VO下降了，为了维持与之前相同的输出电压，就把可调电阻值RQ1下降一些，这样按电阻分压原理，输出电压VO就上升了（只是电流增大了），上升量抵消了下降量，输出电压VO保持不变

相反，就把可调电阻RQ1上升一些，这与刚刚那位退票离场的同仁所述是一致的。

三极管Q1的集电极-发射极电压VCE1就是LDO的压降VD（Dropout Voltage） ，这个电压会在三极管上产生热量，流过三极管Q1（即负载电流）的电流越大，则由P=V×I公式可知（电流I越大），在三极管消耗的功率越大，从而导致三极管发热，因此一般Q1采用的都是功率管。

这个压差VD自然是越小越好，对于给定的LDO都有一个VD值，在实际使用时，输入电压Vi与输出电压Vo的差值一定要大于这个VD值，否则LDO将无法正常维持内部调节行为而无法实现稳压功能。

同样，如果外加的输入电压Vi太大，则由P=V×I公式可知（电压V越大），也会导致三极管消耗功率增大，从而引起三极管发热，这也会极大的影响LDO的电源转换效率，如下图所示：

LDO的输入输出电流接近一致的，因此计算LDO的效率只需知道输出电压Vo与输入电压Vi的比值即可，对于同样的输出电压3.3V，当输入电压为5V时，LDO的效率约为66%，而当输入电压为9V时，LDO的效率就降到约36%了，大部分的输入能源都被消耗到了LDO本体上，这是低功耗应用所不允许的。

当然，负载电流不能一直升高到无限大（即负载电阻不可能无限小，否则电路将带不动，这跟小马拉大车的道理是一样的），当负载电流高到一定值时，三极管Q1由于电流太大而发热，最终导致三极管损坏，此时的电流称为最大负载电流ILIMIT（Current Limit）

我们说稳压电路可以对负载引起的输出电压变化进行稳压，那么用什么参数来衡量呢？通常我们用负载调整率ΔLoad（Load Regulation）参数来衡量这个性能，如下图所示：

上图中输入电压Vi对应输出V O ，假设负载RL的变化引起输出电压变化了ΔV O ，我们把负载RL变化引起的输出电压变化率叫做负载调整率，用ΔLoad表示，如下式：

举个例子，芯片A与芯片B用上图所示电路进行测试，初始条件都是V i =5V、V O =3.3V，将负载值RL进行相同大小的调整后，测得芯片A输出为3.4V，而芯片B输出为3.5V，

则芯片A的负载调整率是：

而芯片B的负载调整率是：

在理想状态下，我们希望无论负载是怎么变化的，输出都是恒定的，即ΔV为0，因此这个值是越小越好，因此芯片A的负载调整率要更好一些。严格地说，负载调整率=（满负载输出电压-半负载输出电压）/额定负载输出电压，这里只是为了说明负载调整率的意义。

下面我们看看，当输入电压波动时，电路是如何对输出进行调整的：

输入电压Vi上升时，由于VCE1还没来得及调整，因此输出VO势必会随Vi上升。

电阻R3、R4、RP1是对输出电压VO进行分压采集，因此三极管Q2的基极电位VB2相应也会上升，而Q2的发射极因为D1、R2提供稳定的参考电位V Z ，则有V BE2 =V B2 -VZ上升，继而导致Q2的基极电流IB2与IC2相继上升。

三极管Q2的集电极IC2上升将导致Q2集电极电位VC2下降，则有Q1的发射结电压V BE1 =V B1 -V E1 =V C2 -V E1 =V C2 -VO下降（记住前提条件，输出电压VO是上升的），Q1基极电极电流IB1与集电极电流IC1相继下降，继而VCE1上升将Vi的上升量抵消，从而将输出VO稳定在之前的输出电压值。

这个稳压的过程可以如下所示：

与负载调整率类似，我们用电压调整率来衡量输入电压变化引起的输出电压变化：

上图中输入电压Vi对应输出V O ，假设输入电压Vi的变化引起输出变化了ΔV O ，我们把输入电压变化引起的输出电压变化率叫做电压调整率（line regulation，也有叫线性调整率），用ΔLine表示，如下式：

同样，我们将芯片A与芯片B用上图所示电路进行测试，初始条件都是V i =5V、V O =3.3V，将输入电压值进行相同大小的调整后，测得芯片A输出为3.4V，而芯片B输出为3.5V，

则芯片A的电压调整率是：

而芯片B的电压调整率是：

在理想状态下，我们希望无论输入电压是怎么变化的，输出电压都是恒定的，即ΔV为0，因此这个值也是越小越好，因此芯片A的电压调整率要更好一些。

严格地说，电压调整率是在输出接固定负载时，将输入电压在一定的范围进行调整并从中取得输出电压的最小值与最大值，则电压调整率=（输出电压最大值-输出电压最小值）/额定输出电压，这里只是为了说明电压调整率的意义。

同样，输入电压Vi不能一直升高到无限大，如果输入电压Vi超过 工作允许最大电压（OperatingInput Voltage） ，LDO可能会损坏。