物联网系统低压差低功耗电源方案分享_LDO详解

物联网系统中为什么要使用线性电源芯片(LDO)

在物联网系统中，使用线性电源芯片（LDO，Low Dropout Regulator）的原因主要可以归纳为以下几点：

低功耗与高效率

低压差：LDO能够在输入电压与输出电压之间保持较低的压差，这意味着在转换电压时耗散的能量较少，从而提高了电源效率。这对于依赖电池供电的物联网设备尤为重要，有助于延长设备的电池寿命。

静态电流低：LDO在待机或轻载条件下消耗的电流较低，这进一步减少了设备的能耗。

高稳定性

输出电压稳定：LDO通过内部反馈机制，能够精确控制输出电压，确保在各种负载条件下都能保持稳定。这对于需要稳定电源供电的物联网设备（如传感器、微控制器等）至关重要。

良好的线性调整率和负载调整率：LDO在输入电压或负载电流变化时，能够保持输出电压的稳定，减少波动，提高系统的可靠性。

低噪声

LDO的噪声性能较好，有助于降低物联网设备的噪声干扰。这对于需要高精度数据采集和处理的物联网应用尤为重要，如医疗监测、环境监测等领域。

简单易用

外围电路简单：LDO的使用相对简单，通常只需在外围添加少量电容即可工作，无需复杂的控制电路。这降低了电路设计的复杂性和成本。

封装小：LDO芯片通常采用小封装设计，便于在物联网设备中紧凑布局，节省空间。

成本效益

尽管在某些高功率应用中，开关电源可能具有更高的效率，但在物联网领域，由于设备数量众多且对成本敏感，LDO因其低成本和高集成度而具有显著优势。通过选择合适的LDO型号和优化电路设计，可以在满足性能要求的同时降低成本。

保护机制

部分LDO还具备过流保护、过热关断等安全机制，能够在异常情况下保护电路和设备免受损坏，提高系统的可靠性和安全性。

综上所述，LDO因其低功耗、高效率、高稳定性、低噪声、简单易用以及成本效益等优点，在物联网系统中得到了广泛应用。随着物联网技术的不断发展，LDO在无线传感器电源设计中的应用将更加广泛，为物联网应用提供更加高效、可靠的电源解决方案。

本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——线性电源芯片(LDO)。

1.线性电源芯片(LDO)的简介

LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器）。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况，芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。

2.线性电源芯片(LDO)的分类

PMOS LDO：

常见的LDO是由P管构成的，由于LDO效率比较低，因此一般不会走大电流。

NMOS LDO：

针对某些大电流低压差需求的场合，NMOS LDO应运而生。

传统PNP LDO：

正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右。

传统NPN LDO：

使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

3.线性电源芯片(LDO)的工作原理

LDO=low dropout regulator，低压差+线性+稳压器。

低压差： 输出压降比较低，例如输入3.3V，输出可以达到3.2V。

线性： LDO内部的MOS管工作于线性电阻。

稳压器： 说明了LDO的用途是用来给电源稳压。

3.1内部结构

以PMOS LDO为例：

LDO内部基本都是由4大部件构成，分别是分压取样电路、基准电压、误差放大电路和晶体管调整电路。

分压取样电路： 通过电阻R1和R2对输出电压进行采集；

基准电压：通过bandgap（带隙电压基准）产生的，目的是为了温度变化对基准的影响小；

误差放大电路： 将采集的电压输入到比较器反向输入端，与正向输入端的基准电压（也就是期望输出的电压）进行比较，再将比较结果进行放大；

晶体管调整电路： 把这个放大后的信号输出到晶体管的控制极（也就是PMOS管的栅极或者PNP型三极管的基极），从而这个放大后的信号（电流）就可以控制晶体管的导通电压了，这就是一个负反馈调节回路。

3.2 负反馈流程

以PMOS LDO为例：

反馈回路

PMOS驱动的反馈

LDO工作原理就一句话：通过运放调节P-MOS的输出。

4.主要参数

输入输出压差（Dropout Voltage）：

对于LDO来说，输入电压是高于输出电压的，但是两者压差一般都是很小，LDO的输入电流几乎等于输出电流，因此压差越大，效率越低（本身吃掉了很多能量电流×晶体管压降），压差越小，LDO电压转换效率越高以及能量损耗越小。

电源抑制比（PSRR）：

LDO的 PSRR数据是用来量化LDO对不同频率的输入电源纹波的抑制能力的，它反映了LDO不受噪声和电压波动、保持输出电压稳定的能力。在特定频段内，PSRR越大越好。

100K到1MHz内的PSRR非常重要，这个是DCDC的噪声频率范围，LDO经常作为DCDC的下一级，要有能力滤除来自DCDC的大量噪声。

在ADC，DAC，Camera的AVDD供电上，我们要选择PSRR大于80dB（@100Hz）的LDO。LDO的环路控制往往是确定电源抑制性能的主要因素，同时大容量，低ESR的电容对电源一直也非常有用，建议选择陶瓷电容。

PSRR与频率有关，LDO的规格书一般会给出几个频点的PSRR值。

噪声（Noise）：

不同于PSRR，噪声是指LDO自身产生的噪声信号，低噪声的LDO稳压芯片可以很好的降低LDO产生的额外噪声，输出的电压更纯净，噪声一般计算出的值是有效值(rms)，也可以用peak to peak来分析。

如下是某LDO的噪声水平，通常在uV级别

LDO输出噪声的另一种表示方式是噪声频谱密度。只有高精度，低噪声电路上才需要关注这个参数。

静态电流（Iq）：

静态电流（Quiescent Current）是外部负载电流为0时，LDO内部电路供电所需的电流。内部电路包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测电路。这个电流经过从LDO的GND流出。

在一些电池供电低功耗场景下，要考虑LDO本身自身消耗的静态电流。休眠阶段的电源消耗成为影响电池寿命的关键因素。要想最大限度地降低睡眠期间的功率消耗，选择具有极低静态电流的器件就是必须的。一般LDO芯片的静态电流的大小与芯片的其他性能成反关系，如低噪声，高电源电压抑制比，动态性能好的LDO静态电流都偏大一些。低IQ的LDO做的好的话＜100nA。

5.线性电源芯片(LDO)和DCDC区别

LDO外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容；

DC-DC外围器件多，电路复杂，成本高；

LDO负载响应快，输出纹波小；

DC-DC负载响应比LDO慢，输出纹波大；

LDO效率低，输入输出压差不能太大；

DC-DC效率高，输入电压范围宽泛；

LDO只能降压；

DC-DC支持降压和升压；

LDO和DC-DC的静态电流都小，根据具体的芯片来看；

LDO输出电流有限，最高可能就几A，且达到最高输出和输入输出电压都有关系；

DC-DC输出电流高，功率大；

LDO噪声小；

DC-DC开关噪声大，为了提高开关DC-DC的精度，很多应用会在DC-DC后端接LDO；

LDO分为可调和固定型；

DC-DC一般都是可调型，通过FB反馈电阻调节；

6.应用电路

6.1 ACDC电路

最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。

在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。

6.2 蓄电池电路

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化，为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器。

低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命，同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。

6.3 开关性稳压电源电路

众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

6.4 共电池电路

在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。

为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态，为此，要求线性稳压器具有使能控制端。

有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统。

6.5 附加功能

通/断控制功能，允许使用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出，使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。

输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。

故障标记输出功能,当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时，LDO能输出故障标记信号，微处理器在接收到此信号后，可及时完成数据存储等项工作。

瞬变电压保护功能，将LDO用于汽车电子设备时，需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护，一旦输出端出现瞬变电压，立即将输出关断，等瞬变电压过去之后，又迅速恢复正常工作。

跟踪能力某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力，其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化，并及时调整自己的输出电压值，以减小各路输出之间的相对变化量。

排序，所谓排序，就是在多个稳压电源构成的电源系统中，使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。

7.选取原则

电压类型：确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。正电压的器件较多，负电压的器件可以考虑LM2991（较多大公司使用）。

输入电压：稳压器输入端可以输入的电压范围（注意输入电压需要降额80％考虑）。

输出电压：稳压器输出端的输出电压值，不要选有ADJ功能的，这样节省器件，降低干扰。

输出电流：稳压器输出端的最大输出电流值（至少留25%裕量）。

压差：确定压差是否合适，一定要查看规格书上，对应最大电流的最小压差要求。

封装：单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求。

线性调整率：稳压器输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。

负载调整率：是指在给定负载变化下的输出电压的变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。

电源纹波抑制比(PSRR)：表示稳压器抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力。线性调整率只有在直流电时才需要考虑，但是电源抑制比必须在宽频率范围上考虑。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的参量，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小。如果用在低噪声场合，一定要选择高PSRR（80dB以上）的LDO，建议在80dB以上。

瞬态响应：表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化，它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力，也起到了高频旁路的作用。

静态电流(Iq)：又叫接地电流，是通路元件的偏流和驱动电流的组合，通常保持尽可能低的水平。静态电流越大，稳压器的效率越低。如果是电池供电，对续航要求很高，一定要选择Iq低的LDO。

最大耗散功率：为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏，LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率，否则可能损坏LDO芯片。

输出电容以及ESR值：如果器件对输出电容以及ESR有特殊要求，考虑公司现有器件是否满足要求（几乎每一家的LDO，CIN和COUT都要求1uF以上，ESR越低越好，最好小于100mΩ，但也不能太小，低于几个mΩ也可能使LDO工作不稳定）。

供应商A ：亚科美微

1、产品能力

（1）选型手册亚科美微电子产品型录.pdf

（2）主推型号1： ACM29302WU_WU

对应的产品详情介绍

产品概述

MIC29302WU是一款由亚科美微电子（深圳）有限公司设计生产的低压差、大电流且精度高的电压调节器电路。该芯片以超βPNP工艺制作的PNP管作为调节元件，具有优异的性能表现。

主要特性

低压差特性：在满载条件（3A）下，输入输出压差仅为370mV（典型值），这使得它在需要低压差应用的场景中表现出色。

大电流输出：能够稳定输出高达3A的电流，满足各种大电流需求的应用场景。

高精度：通过精确的电压调节和稳定的输出特性，确保在各种负载条件下都能保持输出电压的稳定。

宽输入电压范围：支持最大输入电压为26V，提供了更广泛的应用灵活性。

温度范围宽：能够在-40°C至+125°C的温度范围内正常工作，满足恶劣环境下的使用需求。

应用领域

MIC29302WU广泛应用于需要大电流、低压差和稳定电压输出的电源系统中。特别是在电池供电的物联网设备、便携式电子设备、汽车电子、工业自动化等领域中，其高性能和可靠性得到了广泛的认可和应用。

封装与尺寸

该芯片采用TO-263-5封装，具有良好的散热性能和较小的体积，便于在电路板上布局和安装。

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

ACM29302地端电流大约为 IOUT 的 0.01A,不适用于电池供电设备长期在低功耗运行的场景。

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

ACM29302WU_WT.pdf

供应商B：国芯

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号：AMS111733

对应的产品详情介绍

产品概述

AMS1117-3.3是由国内芯片制造商（如赫尔半导体、友台半导体、深圳汉芯等）生产的低压差线性稳压器，具有固定的输出电压3.3V。它广泛应用于各种需要稳定电压供电的电子设备中，特别是在对电源噪声敏感的电路中表现尤为出色。

主要特性

输出电压稳定：AMS1117-3.3能够提供稳定的3.3V输出电压，满足大多数电子设备对稳定电源的严格要求。

低压差特性：该芯片具有较低的输入输出电压差（Dropout Voltage），这意味着在转换电压时耗散的能量较少，提高了电源效率。

高精度：AMS1117-3.3的电压精度高，能够确保输出电压的精确度，满足高精度应用的需求。

低噪声：该芯片具有较低的输出电压噪声，这对于对电源噪声敏感的电路来说至关重要。

负载调整率和线性调整率优异：即使在负载电流和输入电压发生变化时，也能稳定地输出设定的电压值。

保护机制：具备过热保护和限流保护功能，有效防止芯片在异常情况下受损，提高了系统的可靠性和稳定性。

封装与尺寸

AMS1117-3.3芯片通常采用不同的封装形式，如TO-252等。封装尺寸紧凑，便于在电路板上布局和安装。

应用领域

AMS1117-3.3芯片的应用领域十分广泛，包括但不限于：

消费类电子产品：如智能手机、平板电脑、蓝牙音箱等，为各种芯片和模块提供稳定的电源。

工业控制领域：用于为传感器、控制器等提供可靠的电源支持。

通信设备：保障信号处理模块的稳定供电。

智能家居系统：如智能门锁、智能摄像头、智能家电等，都需要稳定的电源来保证其正常工作和长期可靠运行。

选择建议

在选择AMS1117-3.3芯片时，建议考虑以下因素：

输出电压：确认所需输出电压为3.3V。

负载电流：根据应用需求选择合适的负载电流，确保芯片能够提供足够的电流支持。

封装形式：根据电路板布局和安装需求选择合适的封装形式。

温度和空间限制：考虑应用环境的温度和空间限制，选择适合的芯片型号。

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

散热问题：

AMS1117最大能提供1A以上电流，因此当电流工作在大电流，高输入输出电压情况下时，芯片自身所消耗功耗将达到几瓦的数量级，此时必须考虑芯片的热耗散能力。

线性电源输入输出的压差大，要注意是否会导致芯片过热，加速芯片老化，埋下质量隐患。设计人员一定要严谨，做到精益求精。比如给stm32的系统供电，需要先用LM2596从12V降到5V，再用1117降到3.3V，没特别要求的供电，这种方案可适用大多数的供电场合。

AMS1117的SOT-223贴片式封装形式热阻约为20°C/W（从芯片的内部到封装基板），从封装基板和环境温度之间的热阻取决于应用AMS1117的PCB板上的铜箔面积，当铜箔面积等于5cm*5cm（正反两面）时，该热阻约为30°C/W。因此总的热阻为20°C/W。若想进一步降低热阻则需适当增加铜箔面积

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联叉车监控项目, AM21EV4 demo板

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

C2992570_AMS1117-3.3_2022-07-29.pdf

供应商C：贝岭

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:BL9157

产品详情介绍

贝岭BL9157是一款由上海贝岭（BELLING）生产的低功耗CMOS型低压差线性稳压器芯片IC。以下是对该产品的详细介绍：

基本信息

品牌：BELLING/上海贝岭

型号：BL9157

封装形式：如SOT89-3(A)等，具体封装形式可能因不同批次或产品而异。

批次：不同批次可能有所不同，如24+、1年内等。

技术参数

最大输入电压：30V（根据某些资料）

输出电压：可调或固定，范围通常在1.8V至5.0V之间。

压差：650mV@100mA (VOUT=5V)（根据某些资料）

静态电流（地电流）：低至2μA（根据某些资料）

输出电流：可达150mA（根据某些资料）

电源纹波抑制比（PSRR）：-60dB@217Hz（根据某些资料）

工作温度：通常范围在-40°C至85°C或-10°C至130°C之间，具体取决于不同批次或产品规格。

RoHS：是，符合环保要求。

物理尺寸

长度、宽度和高度可能因封装形式而异，但通常较小，便于在电路板上安装。

应用领域

贝岭BL9157低功耗CMOS型低压差线性稳压器芯片IC广泛应用于需要稳定电压供应的电子设备中，如便携式设备、消费电子、工业自动化、汽车电子等领域。其低功耗特性使得它在电池供电的设备中尤为受欢迎。

注意事项

在使用贝岭BL9157芯片时，请务必参考其数据手册和规格书，以确保正确连接和使用。

注意芯片的工作温度范围，避免在高温或低温环境下长时间工作。

在设计和制造过程中，应确保芯片与其他元器件之间的电气连接正确无误。

总之，贝岭BL9157是一款性能优良、低功耗的CMOS型低压差线性稳压器芯片IC，适用于多种电子设备中。如需更多信息，请查阅相关数据手册或咨询专业人士。

硬件参考设计

（3）主推型号2:BL9133

产品详情介绍

基本信息

品牌：BL/上海贝岭

型号：BL9133

封装：NA（具体封装形式可能因不同批次或产品而异）

批次：1年内（表示该产品是近一年内生产的）

技术参数

产品种类：电子元器件

RoHS：是，符合环保要求

最小工作温度：-40°C（表明该产品在低温环境下仍能正常工作）

最大工作温度：100°C（表明该产品在高温环境下仍能保持稳定性能）

最小电源电压：4.5V（产品正常工作时所需的最小电压）

最大电源电压：8.5V（产品能承受的最大电压）

物理尺寸：长度8.2mm，宽度9.4mm，高度2.5mm（这些尺寸有助于了解产品在电路板上的占用空间）

应用领域

贝岭BL9133作为电子元器件，可能广泛应用于各种需要稳定电压供应的电子设备中，如消费电子、工业自动化、汽车电子等领域。其具体的应用场景可能因产品特性和客户需求而异。

注意事项

在购买和使用贝岭BL9133时，请务必参考其数据手册和规格书，以确保正确连接和使用。

注意产品的工作温度范围，避免在高温或低温环境下长时间工作。

在设计和制造过程中，应确保产品与其他元器件之间的电气连接正确无误。

总之，贝岭BL9133是一款性能稳定、符合环保要求的电子元器件，适用于多种电子设备中。如需更多信息，请查阅相关数据手册或咨询专业人士。

硬件参考设计

（4）主推型号3:BL9136

对应的产品详情介绍

硬件参考设计

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

BL9157_V1.1_en.pdf

Belling-BL91XX.pdf

供应商D:德仪（TI）

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:TLV70033DDCR

对应的产品详情介绍

硬件参考设计

奇迹物联叉车监控项目

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

tlv700.pdf

供应商E:HOLTEK（台湾泰合）

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:HT7530-3

产品详情介绍

硬件参考设计

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

VIN=30VVOUT=3V100MA_2018-12-07 (1).PDF

技术对接

技术能力

供应商F:RICHTEK(台湾立锜)

1、产品能力

（1）选型手册

RICHTEK RT_PRODUCT_LDO_SINGLE(2023-02-15).xls

（2）主推型号1：RT9013

对应的产品详情介绍

硬件参考设计

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

C47773_正VIN=5.5VVOUT=3.3V500MA50DB@(10KHZ)_2015-05-04.PDF

供应商G:ON/安森美

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：MC7805

产品详情介绍

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

78xx系列IC正常工作时，要求输入电压至少要比输出电压高2V，这样IC内部的调整管才能正常工作。若无法保证输入电压高于输出电压2V以上，78xx无法输出稳定的电压，其输出电压会随输入电压变化而变化。本电路中的7805若想输出5V的稳定电压，其输入电压Vin至少要在7V以上。

78xx稳压IC在正常工作时，不允许输出端串入高于Vin的电压（在检修电路时，有时会发生这种情况），否则其内部调整管的be结可能会被击穿而永久性损坏，故我们经常见到一些电路中，在78xx的输出端与输入端之间接一个1N4007之类的二极管（即图1中的VD2），该管是起保护作用的。有时为了防止输入电压极性接反而损坏78xx，还可以在其输入端串联一个二极管作为保护（图1中的VD1）。

在大电流下，78xx的压差（即输入电压与输出电压之差）不能过大，否则78xx会严重发热，由于此时其内部过热保护电路将起作用，从而使输出电压不稳定。

7805的最高输入电压为35V，输出电流最大为1.5A。该IC的散热片是与其GND引脚相通的（对于79xx或LM317，其散热片是与其输入引脚或输出引脚相通的）。

核心料（哪些项目在用）

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

C83632_正VIN=35VVOUT=5V1A68DB@(120HZ)MC7805BDTG.PDF

技术对接

技术能力

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库（https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf）

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审核编辑 黄宇