低壓差穩(wěn)壓器（LDO）能夠在很寬的負載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或 FET，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的值。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。

　　更新的發(fā)展使用 MOS 功率晶體管，它能夠提供的壓降電壓。使用 功率MOS，通過穩(wěn)壓器的電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。

　　然而，隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成式PMIC已經(jīng)無法滿足外設電源要求。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段必須增加專用LDO來給各種選件供電，如相機模塊、藍牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來輔助降低噪聲，解決由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線造成的穩(wěn)壓問題，并通過關閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率。

　　本文將討論基本的LDO拓撲，解釋關鍵的性能指標，并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。同時使用ADI公司LDO產(chǎn)品系列的設計特征進行示例說明。

　　圖1：采用低壓差 （Vout和在額定負載電流時Vin的給定值之間的差值） 技術穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖。

　　基本的LDO架構(gòu)。LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成，如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供。如果反饋電壓低于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低，允許更多的電流通過，進而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限制電流流動、降低輸出電壓。

　　LDO是低壓降的意思，這有一段說明：低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩(wěn)壓器可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA（TI的TPS78001達到Iq=0.5uA），電壓降只有100mV（TI量產(chǎn)了號稱0.1mV的LDO）。 LDO線性穩(wěn)壓器的性能之所以能夠達到這個水平，主要原因在于其中的調(diào)整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩(wěn)壓器是使用PNP晶體管。P溝道MOSFET是電壓驅(qū)動的，不需要電流，所以大大降低了器件本身消耗的電流；另一方面，采用PNP晶體管的電路中，為了防止PNP晶體管進入飽和狀態(tài)而降低輸出能力， 輸入和輸出之間的電壓降不可以太低；而P溝道MOSFET上的電壓降大致等于輸出電流與導通電阻的乘積

　　這種閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個主要的極點，一個是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點，另一個是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）組成的外部極點。輸出電容及其ESR將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負載電流瞬態(tài)變化的響應性能。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬態(tài)變化。電容值越大，LDO的瞬態(tài)響應性能越好，但會延長啟動時間。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時可以在規(guī)定工作條件下達到很好的穩(wěn)定性能。

　　LDO效率：提高效率一直是設計工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流（Iq）和前向壓降。

　　由于Iq在分母上，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當?shù)偷腎q。當Iq遠小于ILOAD時，在效率計算公式中可以忽略Iq。這樣，LDO的效率公式可以簡化為（Vo/Vin）*100%。由于LDO無法存儲大量的未使用能量，沒有提供給負載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。

　　LDO可以提供穩(wěn)定的電源電壓，這種電壓與負載和線路變化、環(huán)境溫度變化和時間流逝無關，并且當電源電壓和負載電壓之間的壓差很小時具有的效率。例如，隨著鋰離子電池從4.2V（滿充狀態(tài)）下降到3.0V（放電后狀態(tài)），與該電池連接的2.8V LDO將在負載處保持恒定的2.8V（壓差小于200mV），但效率將從電池滿充時的67%增加到電池放電后的93%。

　　為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌，例如使用3.3V開關穩(wěn)壓器。LDO效率固定為85%，假設開關穩(wěn)壓器效率為95%，那么系統(tǒng)總效率將是81%。

　　電路特性增強LDO性能： 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關閉，并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電。當LDO的溫度超過規(guī)定值時，熱關斷電路將關閉LDO。過流保護電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的值時禁止輸出。圖2是用于便攜設計的典型電源系統(tǒng)簡圖。

　　圖2：便攜系統(tǒng)中的典型電源域。

　　理解線性穩(wěn)壓器要求

　　LDO用于數(shù)字負載：像ADP170和ADP1706這類數(shù)字線性穩(wěn)壓器設計用于支持系統(tǒng)的主要數(shù)字要求，通常是微處理器內(nèi)核和系統(tǒng)輸入/輸出（I/O）電路。為了響應軟件導致的負載變化而發(fā)生的時鐘頻率變化對LDO的負載調(diào)整功能提出了嚴格的要求。

　　數(shù)字負載的重要特征有線路調(diào)整率和負載調(diào)整率，以及瞬態(tài)下沖和過沖。數(shù)據(jù)手冊中并不總是提供上述參數(shù)，瞬態(tài)響應圖形也許表現(xiàn)出對瞬態(tài)信號不錯的上升和下降響應速度。線路和負載調(diào)整率有兩種方式表述：一種是輸出電壓隨負載變化的偏離百分比，實際的V/I值，或者在規(guī)定負載電流條件下同時用兩者表示。

　　如果輸入電壓和輸出電壓很接近，是選用LDO穩(wěn)壓器，可達到很高的效率。所以，在把鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V輸出電壓的應用中大多選用LDO穩(wěn)壓器。雖說電池的能量後有百分之十是沒有使用，LDO穩(wěn)壓器仍然能夠保證電池的工作時間較長，同時噪音較低。

　　為了節(jié)省功耗，數(shù)字LDO需要具有較低的Iq以延長電池壽命。便攜系統(tǒng)有很長時間軟件處于空閑狀態(tài)，這段時間系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。在不活動時，系統(tǒng)將進入睡眠狀態(tài)——要求LDO關閉，消耗電流不到1 ?A。當LDO處于睡眠模式時，所有電路（包括帶隙參考）都將被關閉。當系統(tǒng)回到活動模式時，要求快速啟動 ——在此期間數(shù)字供電電壓必須不產(chǎn)生過高的過沖。過高的過沖將導致系統(tǒng)閉鎖，有時需要拔出電池或按下主復位按鈕才能解決問題，并重啟系統(tǒng)。

　　LDO用于模擬和射頻負載： 像ADP121和ADP130具有的低噪聲和高電源抑制（PSR）性能對模擬環(huán)境中使用的LDO來說非常重要，因為模擬器件比數(shù)字器件對噪聲更敏感。模擬LDO需求的主要來自無線接口要求——不損傷接收器或發(fā)送器，并在音頻系統(tǒng)中不產(chǎn)生爆破音或嗡嗡聲。無線連接非常容易受噪聲的影響，如果噪聲干擾到信號，接收器的效果將大打折扣。在考慮模擬線性穩(wěn)壓器時，器件要能抑制來自上游電源和下游負載的噪聲，而且自身不增加噪聲，這一點很重要。

　　模擬穩(wěn)壓器噪聲的測量值用電壓有效值（rms）和PSR表示，后者代表了抑制上游噪聲的能力。增加額外的濾波器或旁路電容可以減小噪聲，但增加了成本和體積。仔細和靈活的LDO內(nèi)部設計也有助于噪聲降低和電源噪聲抑制。在選擇LDO時，對涉及每個系統(tǒng)所需的總體性能的產(chǎn)品細節(jié)進行檢查很重要。

　　關鍵的LDO指標和定義

　　LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2v~3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉(zhuǎn)3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件的。針對這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)設計師應該密切關注關鍵參數(shù)，如環(huán)境和結(jié)點溫度范圍、圖形信息中的X-Y刻度值 、負載、瞬態(tài)信號的上升和下降時間以及帶寬。下面討論與ADI公司LDO的表征和應用有關的一些重要參數(shù)。

　　輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了的可用輸入電源電壓。指標可能提供寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須超過壓降加上想要的輸出電壓值。如果輸入電壓低于2.95V，輸出電壓將低于2.8V。

　　接地（靜態(tài)）電流：靜態(tài)電流Iq就是輸入電流IIN和負載電流IOUT之間的差值，在規(guī)定的負載電流條件下測量。對于可調(diào)穩(wěn)壓器，如ADP171，靜態(tài)電流等于接地電流減去來自外部分壓電阻網(wǎng)絡中的電流。

　　關斷電流：這是指設備禁用時LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低于1.0 uA。這個指標對于便攜設備關機時長待機期間的電池壽命來說很重要。

　　輸出電壓：ADI公司的LDO具有很高的輸出電壓，在工廠制造時就被調(diào)整到±1%之內(nèi)（25℃）。輸出電壓在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規(guī)定。誤差規(guī)定為±x%差情況。

　　線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。為了避免由于芯片溫度變化引起的誤差，線路調(diào)整率的測量通常在低功耗狀態(tài)或使用脈沖技術進行。

　　動態(tài)負載調(diào)整率：只要負載電流緩慢變化，大多數(shù)LDO都能輕松地保持輸出電壓接近恒定不變。然而，當負載電流快速改變時，輸出電壓也將發(fā)生改變。當負載電流發(fā)生變化時輸出電壓會改變多少就決定了負載瞬態(tài)性能。

　　壓差：壓差指保持電壓穩(wěn)定所需的輸入電壓和輸出電壓之間的差值。直到輸入電壓接近輸出電壓加上壓差，在這個點輸出電壓將“失去”穩(wěn)定。壓差應盡可能小，以使功耗，效率。當輸出電壓降低到低于標稱值 100mV的電壓時，通常被認為達到了這個壓差。負載電流和結(jié)點溫度會影響這個壓差。壓差值應在整個工作溫度范圍和負載電流條件下加以規(guī)定。

　　啟動時間：啟動時間被定義為使能信號的上升沿到VOUT接近其標稱值的90%時的時間。這個測試通常是接上VIN、使能引腳從斷開到接通的觸發(fā)條件下進行測量。在穩(wěn)壓器需要頻繁關閉和啟動以節(jié)省功耗的便攜系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的啟動時間是一個重要的考慮因素。

　　限流閾值：限流閾值被定義為輸出電壓下降到給定典型值的90%時的負載電流。例如，3V輸出電壓的限流閾值被定義為造成輸出電壓下降到3.0V的90%或2.7V時的負載電流。

　　工作溫度范圍：工作溫度范圍可以由環(huán)境溫度和結(jié)點溫度加以規(guī)定。由于LDO會發(fā)熱，因此IC的工作溫度總是超過環(huán)境溫度，因為在結(jié)點溫度之上工作過長的時間會影響器件的可靠性——統(tǒng)計學上稱為平均故障時間（MTTF）。

　　熱關斷（TSD）：大多數(shù)LDO具有自動溫度調(diào)節(jié)裝置，用于防止IC發(fā)生熱失控。

　　使能輸入：LDO使能信號以正和負邏輯的形式提供，用于關閉和啟動LDO。使能輸入允許外部控制LDO的關閉和啟動，這是多電壓軌系統(tǒng)中調(diào)整電源上電順序的一個重要特性。一些LDO具要相當短的啟動時間，因為它們的帶隙參考在LDO禁用時是打開的，允許LDO更快地啟動。

　　欠壓閉鎖：欠壓閉鎖（UVLO）可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時才向負載輸出電壓。

　　輸出噪聲：LDO的內(nèi)部帶隙電壓參考是噪聲源，通常用給定帶寬范圍內(nèi)的毫伏有效值表示。例如，ADP121在VOUT為1.2V時，在10kHz至100kHz的帶寬范圍內(nèi)有40?V rms的輸出噪聲。在比較數(shù)據(jù)手冊指標時，給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。

　　電源抑制比：電源抑制比（PSRR）是輸入電源變化量（以伏為單位）與轉(zhuǎn)換器輸出變化量（以伏為單位）的比值，常用分貝表示。對于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器，要求開關電路及運算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出的電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比稱為電源抑制比。為了獲得的電源抑制性能，PCB版圖設計時必須考慮減小從輸入到輸出的泄漏，而且要有魯棒性的接地性能。

　　電源抑制比與其它的失衡量一樣，參數(shù)規(guī)范中的電源抑制比也是針對運算放大器的輸入而言的。 運算放大器的電源線上的噪聲也會對輸出信號造成影響，因此必須適當?shù)亍耙种啤痹肼?。而電源抑制比就是測量運算放大器抑制這種偏差的程度的量。 一般定義它為：從輸入到輸出的增益除以從電源到輸出的增益。因為現(xiàn)在的運算放大器逐漸出趨向于低壓低功耗，對供電電源的要求也越來越高。

　　輸入和輸出電容：輸入和輸出電容應大于在各種工作條件 （尤其是工作電壓和溫度） 下的規(guī)定值。在器件選型時必須考慮應用中的各種工作條件，確保滿足的電容規(guī)格。

　　反向電流保持特性：采用PMOS傳輸管的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管。當VIN大于VOUT時，這個二極管將處于反偏狀態(tài)。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，有額外的電路防止從VOUT到VIN的反向電流流動。反向電流保護電路檢測到VOUT超過VIN時，將反轉(zhuǎn)本征二極管連接的方向，使二極管仍處于反偏狀態(tài)。

　　軟啟動：可編程軟啟動有助于減小啟動時的浪涌電流和提供上電順序。對于啟動時要求浪涌電流受控的應用，有些LDO（如ADP1740/ADP1741）提供了可編程的軟啟動（SS）功能。為了實現(xiàn)軟啟動，在SS和地引腳之間需要連接一個小的陶瓷電容。

　　結(jié)束語

　　LDO是低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容……雖然概念上很簡單，但在應用時需要考慮許多方面的因素。本文介紹了基本的LDO拓撲，解釋了一些關鍵指標和低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。在數(shù)據(jù)手冊中還包含了許多有用的信息。