低压差稳压器（LDO）是一种特殊类型的线性稳压器，能够在输入电压仅略高于输出电压时正常工作。其核心工作原理与传统的线性稳压器类似，但结构优化使其能在更小的压差下稳定输出。

一、LDO的工作原理

1. 基本结构：

   • 输入电压 (Vin)： 供电来源。
   • 调整管 (Pass Element/Power Transistor)： 核心元件，通常采用PNP双极型晶体管(BJT)或P沟道MOSFET (PMOS)。它的导通程度决定了从Vin到Vout的电流通道。
   • 误差放大器 (Error Amplifier)： 将输出电压反馈与内部基准电压进行比较。
   • 基准电压源 (Voltage Reference)： 提供高精度、低漂移的稳定电压作为参考（如带隙基准）。
   • 反馈网络 (Feedback Network - Resistor Divider)： 通常是两个串联电阻（R1, R2），将输出电压分压后送入误差放大器的反相输入端。
   • 输出电压 (Vout)： 提供给负载的稳定电压。
   • (可选) 使能引脚 (Enable Pin)： 控制LDO开启或关断。
   • (可选) 旁路电容 (Bypass Capacitor)： 用于降低基准噪声、提高电源抑制比。

2. 工作过程：

   • 基准与反馈比较： 误差放大器在其正相输入端接收稳定的基准电压(Vref)，在反相输入端接收由反馈电阻分压产生的反馈电压(Vfb)。Vfb = Vout * (R2 / (R1 + R2))。
   • 误差放大： 误差放大器持续比较Vfb和Vref。如果Vfb小于Vref（意味着Vout低于目标值），放大器会增大其输出电流（或电压）。
   • 控制调整管：
     • 对于PNP调整管：误差放大器输出的电流增大，导致PNP基极电流增大，PNP集电极-发射极电压降(Vce)减小，使流过调整管进入负载的电流增大，从而使Vout上升。
     • 对于PMOS调整管：误差放大器输出的电压升高，导致PMOS栅源电压(Vgs)负向增大（绝对值增大），PMOS导通电阻减小，使流过调整管进入负载的电流增大，从而使Vout上升。
   • 反之亦然： 如果Vfb大于Vref（意味着Vout高于目标值），误差放大器输出减小，使得调整管导通程度减弱，流过调整管的电流减小，从而使Vout下降。
   • 动态平衡： 这个反馈环路持续不断地工作，实时调整调整管的导通状态，以维持Vfb尽可能精确地等于Vref，从而得到一个不受输入电压波动或负载电流变化影响的稳定Vout。即 Vout ≈ Vref * (1 + R1/R2)。

3. “低压差” 的核心：

   • 普通线性稳压器（如使用NPN或N沟道调整管）需要约2-3V的输入-输出电压差才能正常工作。
   • LDO通过使用导通压降更小的调整管（如PNP晶体管的Vce_sat或PMOS的Ron压降）和优化内部电路，显著降低了正常工作所需的最小压差。这个最小压差称为 Dropout Voltage (Vdo)。例如，典型LDO的Vdo在满负载时可低至0.1V-0.5V，甚至更低。

二、LDO的选择方法

选择LDO时，需要综合考虑应用需求，关注以下关键参数：

1. 输入电压范围 (Input Voltage Range)：

   • 确保Vin能满足系统的供电要求。
   • 必须满足 Vin >= Vout + Vdo_max（即使在最大负载和最低环境温度下）。

2. 输出电压 (Output Voltage) 和精度：

   • 选择固定输出电压还是可调输出电压。
   • 注意输出电压精度（容差），通常受负载、温度、输入电压等因素影响。

3. 最大输出电流 (Maximum Output Current - Iout_max)：

   • 评估负载所需的最大电流，并选择Iout_max大于该值的LDO。务必留有一定余量（20%-50%）。

4. 压差电压 (Dropout Voltage - Vdo)：

   • 这是LDO的核心指标！决定了输入电压允许的最低值。
   • 在给定输出电流和结温条件下，查找数据手册中的Vdo。
   • 关键： 确保在最坏情况下（最大负载、最高结温、最低输入电压）满足 Vin_min >= Vout + Vdo_max。

5. 静态电流 (Ground Current/Quiescent Current - Ignd, Iq)：

   • 指LDO自身维持工作所需的电流（不含负载电流）。
   • 对于电池供电应用至关重要！低Iq能显著延长电池寿命。超低静态电流(ULP) LDO的Iq可小于1µA。
   • 注意：Iq会随温度和工作状态变化。

6. 电源抑制比 (Power Supply Rejection Ratio - PSRR)：

   • 衡量LDO抑制输入电压纹波/噪声传递到输出的能力。
   • 单位为分贝(dB)，数值越高越好。在所需频率（如DC-DC开关频率）下应有较高的PSRR。
   • 对精密模拟电路（传感器、ADC、振荡器）或对噪声敏感的射频(RF)电路尤其重要。

7. 输出电压噪声 (Output Voltage Noise)：

   • 指LDO内部电路自身产生的噪声电压。
   • 用输出端的频谱密度(nV/√Hz)或指定带宽内的RMS噪声电压(μVrms)表示。
   • 对高精度测量、音频、医疗等低噪声应用至关重要。

8. 热特性与封装：

   • 功耗计算： Pdiss = (Vin - Vout) * Iout。这是调整管上消耗的功率，转换为热量。
   • 结温估算： 必须确保最大功耗下，结温 Tj = Ta + (Θja * Pdiss) < Tj_max。
     • Ta：环境温度。
     • Θja：芯片结到环境的综合热阻（℃/W），取决于封装、PCB布局、散热方式（自然对流/风冷）。
   • 封装选择： 小封装节省空间但散热差，适用于小电流应用。大电流应用需要散热焊盘（Thermal Pad）封装（如SOT223, DFN, QFN）并设计好PCB散热铜箔。必要时考虑加散热片。

9. 保护功能：

   • 过流保护 (OCP)： 防止输出短路损坏芯片（常为折返式或恒流限流式）。
   • 过热关断保护 (OTP)： 当结温超过安全值时自动关断输出。
   • 反向输入保护： 防止电源反接损坏。
   • 输入/输出电容ESR要求： 有些LDO对输入或输出电容的ESR有范围要求以保证稳定性。需查阅数据手册。

10. 其他特性 (可选)：

    • 使能引脚 (Enable)： 用于开启/关断LDO，节省功耗或控制供电时序。
    • 电源良好信号 (Power Good)： 输出状态指示信号。
    • 软启动 (Soft Start)： 减小上电冲击电流。
    • 低 ESR 电容兼容性： 现代LDO通常支持陶瓷电容（ESR很低），简化设计。

总结选择步骤

1. 定范围： 明确 Vin范围、Vout、最大负载电流Iout_max。
2. 算压差： 确定系统允许的最小输入电压 Vin_min。计算所需的最大压差 Vdo_required_max = Vin_min - Vout。选择满足 Vdo_max <= Vdo_required_max 的LDO。
3. 查功耗： 计算最坏情况功耗 Pdiss_max = (Vin_max - Vout) * Iout_max。
4. 选封装/评散热： 根据 Pdiss_max 和工作环境 Ta，结合目标封装的 Θja，估算 Tj，确保 Tj < Tj_max。否则需要更大封装或改善散热。
5. 特殊需求：
   • 电池应用： 重点优化低 Iq。
   • 模拟/RF应用： 重点优化高 PSRR 和低 噪声。
   • 高可靠性应用： 确保完备的 保护功能。
6. 验稳定/选电容： 根据数据手册推荐，选择合适种类、容量和ESR的输入/输出旁路电容。
7. 成本和供应： 考虑性价比和供货稳定性。

举例： 为树莓派3.3V电路从5V USB供电选LDO。Iout_max≈800mA, 要求高效低噪。

• Vout=3.3V, Vin=5V (±10%或±5%)，Vin_min要求考虑裕量：若5V±5%=4.75V, 则Vin_min=4.75V。Vdo_req_max=4.75V - 3.3V=1.45V。大部分LDO可满足。
• Pdiss_max=(5.5V - 3.3V) * 0.8A=1.76W （考虑USB可能达到5.5V）。需有散热焊盘封装。
• 树莓派较噪声敏感，选PSRR>70dB(在10kHz-100kHz), Noise<100μVrms的型号。
• 静态电流Iq适中即可（1~10mA）。
• 保护功能需OCP和OTP。
• 选如TI TPS7A47，Analog Devices ADP150等符合要求的LDO，并注意PCB布局散热设计。

理解原理有助于更好地解读数据手册参数并根据实际应用做出合理取舍。