低压差线性稳压器（LDO）从理论到实测的热性能评估详解；

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在汽车行业中，车规级电池供电设备（如车载通信终端、信息娱乐系统及车载笔记本电脑等）对小型封装线性稳压器产生了强劲需求。这类设备需在复杂的车载电源环境下稳定工作，而线性稳压器凭借其低噪声、高精度的稳压特性，能够有效滤除车载电源中的纹波与干扰，为车规级设备提供可靠供电。特别是低压差线性稳压器（LDO），它具备成本低、电源质量高的优势，在当前市场上更受青睐。所以，本章节主要跟大家分享的就是关于低压差线性稳压器（LDO）的相关内容，希望有兴趣的朋友可以一起讨论。

一、低压差线性稳压器（LDO）的介绍

低压差线性稳压器，英文全称：Low Dropout Linear Regulator，常见全称为Low Dropout Regulator，简称：LDO。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低压差线性稳压器（LDO）类的电压转换芯片。

其中的：

1、低压差（Low Dropout）：是指输入电压-输出电压的值比较低；

2、线性（Linear）：是指处于线性工作状态，其内部的功率管工作在线性区（相当于一个可变电阻）。

3、稳压器（Regulator）：是指在正常的VIN范围内，输出VOUT都稳定在一个固定值，这个固定值就是我们想要的电压值。

4、工作条件：Vin >= Vdrop + Vout，且一般需要两个外接电容：Cin、Cout，一般采用钽电容或MLCC。

二、低压差线性稳压器（LDO）的基本工作原理

低压差线性稳压器（LDO）的基本原理是通过在输入电压和输出电压之间串联一个可控的导通电阻（通常是PMOS或NMOS晶体管），利用负反馈环路调整导通电阻的降压值，从而使输出电压保持稳定。当输入电压变化或负载电流变化时，反馈环路会自动调整导通电阻的阻值，以维持输出电压的恒定。这种工作方式使得低压差线性稳压器（LDO）能够提供非常干净、无开关纹波的输出电压，这对于敏感的模拟电路、射频电路和精密测量电路来说至关重要。从本质上讲，低压差线性稳压器（LDO）的工作原理与使用分立三极管搭建的恒压恒流电路一脉相承，都是基于负反馈控制环路来实现电压或电流的稳定输出。

用一个具体案例来说明一下吧：

低压差线性稳压器（LDO）的基本电路如下图所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成：

通过对上图的理解，稳压管为运放反向端提供稳定的参考电压Uref, 输出端通过R2的分压提供运放同相端的电压。当输出电压过高时，同相端电压值大于反向端参考，输出为正值，因此三极管截止，Uout下降。当输出电压Uout过低时，同相端电压值小于反向端参考，输出为负值，因此三极管导通，Uout上升。因此，稳压电路就是通过这种机制不断调节输出电压，使其保持稳定。

取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压 Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。

运放负端提供稳定的电压，运放正端通过输出电压由电阻网络分压得到。但输出电压高时，运放正端电压也高，比负端值大，运放输出为正，MOS管截止，OUT输出降低；当输出电压低时，运放正端电压也低，比负端值小，运放输出为负，MOS管导通，OUT输出升高。稳压芯片就是通过这种机制不断调整输出电压，使其稳定的。

应当说明的是：实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。

三、低压差线性稳压器（LDO）的主要参数

1、输出电压(Output Voltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数,也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便,而且由于输出电压是经过厂家精密调整的,所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值,不可能满足所有的应用要求,但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2、最大输出电流(Maximum Output Current)

用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常,输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3、输入输出电压差(Dropout Voltage)

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。比如,5.0V的低压差线性稳压器,只要输入5.5V电压,就能使输出电压稳定在5.0V。

4、接地电流(Ground Pin Current)

接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5、负载调整率(Load Regulation)

低压差线性稳压器（LDO）的负载调整率越小,说明低压差线性稳压器（LDO）抑制负载干扰的能力越强。

6、线性调整率(Line Regulation)

低压差线性稳压器（LDO）的线性调整率越小,输入电压变化对输出电压影响越小，低压差线性稳压器（LDO）的性能越好。

7、电源抑制比(PSSR)

低压差线性稳压器（LDO）的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了低压差线性稳压器（LDO）对于这些干扰信号的抑制能力。

四、低压差线性稳压器（LDO）的热性能评估

上述讲到低压差线性稳压器（LDO）受市场青睐，但同时也会带来功耗与发热问题。在高输入输出压差、大负载的应用场景中，该问题会进一步加剧，进而影响 低压差线性稳压器（LDO）的工作稳定性与使用寿命。因此，合理的评估低压差线性稳压器（LDO）的热性能至关重要。所以，无论是从理论还是到实测，以下三个方面足以囊括低压差线性稳压器（LDO）的热性能评估：

1、散热

与其他功率器件类似，低压差线性稳压器（LDO）通过对流方式散发芯片内部产生的热量，散热速率由系统固有的热阻决定。通常情况下，对流散热主要取决于结到环境的热阻（RθJA）。

除对流外，低压差线性稳压器（LDO）还会通过传导散热，热量主要经封装与电路板直接接触的部分导出。一般会采用散热器、强制风冷等方式降低 RθJA，但这类方案不可避免地会增加系统体积与成本。

除加装额外散热器或强化空气对流来改善散热外，还可通过优化 PCB 布局、提升热界面设计来增强热性能，这能显著提高传导散热效率。

2、低压差线性稳压器（LDO）功耗

低压差线性稳压器（LDO）的功耗计算可采用简洁的解析方法。为低压差线性稳压器（LDO）提供的输入电流（Iin）会流经两条不同支路：一条通过调整管流向输出端（Iout），另一条则通过内部偏置电路流向地（Ignd），如下图所示：

根据能量守恒原理，总输入功率必须等于总输出功率。因此，低压差线性稳压器（LDO）的输入功率等于输出到负载的功率与稳压器自身耗散功率之和。由此，低压差线性稳压器（LDO）的功耗可表示为：

以 NEX90530BPA‑Q100（HTSSOP8 封装、300 mA、40 V 超低静态电流低压差线性稳压器）为例。假设输入电压 Vin=13.5 V，输出电压 Vout=5 V (±1.5%)，输出电流 Iout=300 mA；根据下图所示的数据手册，该工况下静态电流 Ignd=1350 μA。那么可以算得功耗为：Ploss = 13.5 V × (300 + 1.35) mA – 5.075 × 300 mA = 2.545725 W：

3、利用热阻估算结温

因为当前所有半导体厂家的产品都会提供每款芯片的详细热阻参数。热阻受多种因素影响，例如芯片尺寸、芯片贴装工艺、封装形式、PCB 布局以及铜箔厚度等。因此，我们通常依据 JEDEC 标准，通过仿真方式给出热阻参数。

热阻参数种类较多，其中部分参数具有明确的物理意义。下图所示为焊接在 PCB 上的芯片的热阻网络。其中，RθJA、RθJB 和 RθJC 是应用最广泛的参数，可帮助工程师进行热设计与热管理。

由上图可见，热量从芯片结区散发至封装外壳，芯片裸片与上外壳之间的热阻为 RθJC。同时，热量也可通过引线框架、芯片贴装层及焊膏从裸片向下传导至 PCB，RθJB表示裸片与 PCB 之间的热阻。

此外，热量会通过多条不同路径从芯片结区传递到空气中，RθJA是综合所有散热路径的等效热阻，包括通过封装的对流散热、通过 PCB 的传导散热以及外露表面的辐射散热。

如上所述，热阻与 PCB 高度相关。因此，直接使用数据手册提供的热阻计算温升可能存在误差，因为手册中的热阻是基于JEDEC 标准仿真板得到的，与实际应用的系统板存在较大差异。实际上，这些热阻主要用于对比评估不同器件的热性能，而非直接用于计算实际温升。

在实际应用中，通常会逐工况实测热阻 RθJA，通过芯片的温差与功耗之比计算得出，公式如下：

继续以 NEX90530BPA-Q100 为例，如下图所示，我们将演示如何基于本演示板计算 RθJA。该评估板（EVM）采用双层设计（60 mm × 40 mm），铜箔厚度为 2oz，总散热面积约 3900 mm²；芯片下方顶层的散热焊盘通过 5 个过孔与底层相连，以提升导热效率。

首先，通过增大电压差或负载电流来提高器件的功耗，使其恰好进入热关断保护状态。此时可认为芯片结温达到 175 °C。

此时，结温和环境温度的温差等于 175°C 减去室温（通常取 25°C），功耗Ploss可通过上面的低压差线性稳压器（LDO）的功耗公式计算得出。根据测试结果，当输入电压 Vin=17.6 V、输出电压 Vout=5 V、负载电流 300 mA 时，NEX90530BPA-Q100 触发热关断保护，此时功耗 Ploss=3.80376 W。利用芯片的温差与功耗之比的公式可计算得到热阻RθJA，其中∆T=175 °C–25 °C=150 °C，因此RθJA=39.43 °C/W。为验证该结果，使用T3ster 热阻测试仪按照JEDEC标准重新测试，得到热阻 RθJA=38.9 °C/W，与实测结果接近。随后可利用该 RθJA 估算芯片在不同温度下的带载能力。例如，若要评估环境温度 TA=125 °C 时 NEX90530BPA-Q100 可承受的负载大小，可设定结温 TJ=150 °C（数据手册中给出的最高工作结温），通过下式计算得到最大允许功耗为 0.634 W。当输入电压 Vin=13.5 V、环境温度 TA=125 °C 时，最大输出电流 IOUT_MAX ≈ 74.5 mA。

然而，在某些情况下，热阻并非用于计算散热的最佳参数，因为热阻的定义为温差除以对应支路的功耗。如下图所示，热阻模型可等效为包含热源与热阻的等效电路。

为更好地评估热性能，采用热特性参数 ΨJT（亦记作 Psi-JT）来量化器件结温与封装上表面中心温度的温差和器件总功耗之间的比值，表达式如下：

我们可以利用 ΨJT 计算壳温，也可以通过 ΨJT 与壳温来评估结温TJ。仍以 NEX90530BPA-Q100 为例，假设环境温度 TA=25 °C，输入电压 Vin=13.5 V，输出电压 Vout=5 V，输出电流 Iout=300 mA，通过公式 (1) 可计算得出功耗 Ploss=2.545725 W。然后根据公式 (2)，结温 TJ 与环境温度 TA 的温差为 100.37 °C，即 TJ=125.37 °C。再利用仿真得到的 ΨJT=5 °C/W，可计算得出壳温 TC=112.64 °C。如下图所示，实测结果表明计算值与测试结果非常接近。

当然，我们也可以通过壳温 TC 计算结温 TJ。在相同条件下，若测得壳温 TC 为 113°C，并计算得出功耗 Ploss = 2.545725 W，可通过以上壳温的公式计算得到结温 TJ，即 TJ = ΨJT × Ploss + TC = 125.72 °C。

五、低压差线性稳压器（LDO）应用注意事项

1、PCB布局设计

PCB布局设计对低压差线性稳压器（LDO）的性能有着重要影响。良好的PCB布局可以优化性能，而糟糕的布局可能影响稳压器的稳定工作并在系统中引入各种干扰。PCB设计应遵循以下原则：

将输出电容尽可能靠近稳压器的输出和GND引脚放置，并放在与稳压器相同的PCB面上；将陶瓷输入电容（如100nF）尽可能靠近稳压器的输入引脚放置；较大的输入缓冲电容（如10μF）放在同一PCB上即可；连接到稳压器输入和输出的走线应根据流过的电流来确定宽度；确保良好的GND连接；对于4层或更多层PCB，使用一个中间层作为GND平面，并放置足够数量的GND过孔；对于1层或2层PCB，放置足够大的GND铜皮。

PCB布局设计对热性能也至关重要。热设计建议包括：确保良好的热连接；根据功耗放置足够的散热面积；对于4层或更多层PCB，放置足够数量的热过孔连接到散热层；将板上其他热源尽可能远离线性稳压器的位置。在多层PCB中，建议在低压差线性稳压器（LDO）裸露焊盘下方放置热过孔阵列，将热量传导到内部铜层，以显著降低结到环境的热阻。

2、启动特性与跟踪区域

启动特性是指低压差线性稳压器（LDO）从上电到输出电压稳定的过程。在启动期间，低压差线性稳压器（LDO）以最大输出电流驱动输出电容，将输出电压提升到标称值。当标称输出电压达到时，低压差线性稳压器（LDO）的控制环路需要几微秒来响应。在这几微秒内，稳压器仍在为输出电容充电，导致输出电压进一步升高。这种启动过冲的水平取决于负载电流和输出电容。

以TLE42754为例，使用22μF输出电容时启动过冲峰值电压为5.47V，而使用100μF输出电容时过冲仅为5.25V。为减小启动过冲，建议增大输入电容以减缓输入电压的上升斜率，以及增大输出电容以减缓输出电压的上升斜率。

当输入电压低于所需的最小电压时，线性稳压器无法将输出电压调节到标称值。然而，只要输入电压高于使器件关闭的开关电压阈值，线性稳压器就会尝试维持输出电压。此时输出电压等于VI - Vdr，这个输入电压范围被称为跟踪区域（Tracking Area），因为输出电压跟随输入电压变化。

六、低压差线性稳压器（LDO）的优缺点分析

低压差线性稳压器（LDO）的主要优点是其稳定性和低噪声性能。由于低压差线性稳压器（LDO）使用线性调节器件，它可以提供精确的输出电压，通常具有较低的输出纹波和噪声。此外，低压差线性稳压器（LDO）还具有快速的响应速度和较高的负载能力。

然而，低压差线性稳压器（LDO）也存在一些限制。首先，由于低压差线性稳压器（LDO）是通过线性调节器件进行电压降低，它的效率相对较低。其次，低压差线性稳压器（LDO）对输入电压的差异较为敏感，因此输入电压必须在规定范围内。此外，低压差线性稳压器（LDO）还需要一定的输入-输出差异电压，这可能导致较大的功耗。

七、低压差线性稳压器（LDO）的应用情况

1、在以电池作为电源的系统中，应当选择压差尽量低的低压差线性稳压器（LDO），这样可以使电池更长时间为系统供电，比如NCP600，NCP629等等。

2、在一些低功耗应用中，应当尽量选择Iq小的低压差线性稳压器（LDO）；

3、在射频、音频、ADC转换等应用系统中，PSRR（电源纹波抑制比）是一个很重要的参数，其体现了低压差线性稳压器（LDO）的抗噪能力，PSRR值越高低压差线性稳压器（LDO）输出纹波越低。

4、具体应用分类情况如下：

八、国内低压差线性稳压器（LDO）的发展概况

中国集成电路(IC)产业经过40余年的发展,已经形成了一个良好的产业基础,并已经进入了一个加速发展的新阶段。借鉴国外先进技术,充分利用国内优惠政策,是当前国内各个IC公司发展的立足点。

作为被广泛应用于手机、DVD、数码相机以及Mp3等多种消费类电子产品中的稳压芯片,低压差线性稳压器（LDO）已引起人们的高度重视。国内早期从事低压差线性稳压器（LDO）生产的部分电子有限公司生产的SG2001、SG2002及SG2003系列低压差线性稳压器（LDO）,足以满足当前市场上主流电压、电流的需要；它的SG2004、SG2011以及SG2012系列产品,非常适合于大电流负载应用；而它的SGM2007/2006/2005系列RF 低压差线性稳压器（LDO）更适用于手机电源的应用。尽管是国产芯片,但这些芯片的性能丝毫不逊色于国外同类产品,而价格更适合于当前国内市场。

由此看来,国内与国外IC发展的差距将不会越来越大,每个国人都可以相信,中国不仅可以成为IC产业的新兴地区,更能成为世界IC强国。

九、总结一下

低压差线性稳压器（LDO）是一种基于线性电源原理的低压差电源，它具有体积小、价格低、稳定、低噪声、低温漂、高精度等优点，适用于需要小功率、低噪声、低温漂的电子设备中。但是，它的响应速度较慢，压降较大，因此不太适用于需要大功率、快速响应的电子设备中。

当然，为规避或是减小低压差线性稳压器（LDO）的缺点，在电路设计初期，可使用上文中RθJA和RθJC去估算芯片结温，为对比不同器件的热性能提供指导。

要提醒一点的是：在实际应用中，若要精确评估结温，则需要基于实际 PCB 测量并计算热阻：RθJA 通常用于计算带载能力，ΨJT 则常用于评估芯片壳温，或通过壳温计算结温。

参考文献

1．王国华,王鸿麟,羊彦等.便携电子设备电源管理技术.西安电子科技大学出版社.2004,1

2．蔺建文.正在崛起的中国集成电路产业.国家集成电路设计西安产业化基地.2002

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审核编辑 黄宇