硬件电路(21)-LDO基础知识

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一、概述

LDO即Low Dropout Regulator，是一种低压差线性稳压器。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高出2V~3V以上，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，输入与输出的压差只有1.7V，显然是不满足条件的，针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。

二、基本组成

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、基准电压源组成。

三、工作原理

串联型稳压电源

LDO是在串联型稳压电源演变而来，为了深入了解LDO先简单介绍串联型稳压电源，功能框图如下图所示：

其中Q是晶体管，DZ是基准电压源，R是限流电阻，Ro是负载。晶体管Q在电路中起电压调整作用，故称调整管，因它与负载Ro是串联联接的，故称串联型稳压电路。图中DZ与R组成稳压管稳压电路，给晶体管基极提供一个稳定的电压，叫基准电压UZ。R又是晶体管的偏流电阻，使晶体管工作于合适的工作状态，由电路可知输出电压Uo=UDZ-UBE。假设由于某种原因引起输出电压Uo降低，即Q的发射极电压E降低，由于UDZ保持不变，从而造成Q发射结电压UBE上升，引起Q基极电流IB上升，从而造成Q发射极电流IE被放大β倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时Q导通更加充分管压降UCE将迅速减小，输入电压Uin更多的加到负载上，UO得到快速回升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：

Uo↓→E↓→UDZ恒定→UBE↑→IB↑→IE↑→UCE↓→Uo↑

当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再重复，只是简单的用下面的变化关系图表示：

Uo↑→E↑→UDZ恒定→UBE↓→IB↓→IE↓→UCE↑→Uo↓

从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：一是稳压管DZ的稳压值UDZ要保持稳定；二是调整管Q要工作在放大区且工作特性要好。

串联型稳压电源稳由于直接用输出电压的微小变化量去控制调整管，其控制作用较小，所以，稳压效果不好。如果在电路中增加一级直流放大电路，把输出电压的微小变化加以放大，再去控制调整管，其稳压性能便可大大提高，这就是带放大环节的串联型稳压电路。

带放大环节的串联型稳压电路

其中晶体管Q1为调整管，起电压调整作用。电阻R1与R2，组成分压电路，输出电压变化量△UL通过R1、R2分压，取出一部分，加到三极管Q2的基极，所以把R1 、R2组成的电路叫取样电路。稳压管DZ与R3组成稳压管稳压电路，提供基准电压UZ。晶体管Q2起比较与放大信号的作用，R4为Q2的集电极负载电阻，Q2的集电极输出信号加至Q1管的基极，用放大了的“变化量”去控制调整管，调整输出电压的变化，故Q2构成比较放大级。

该电路的稳压过程如下：当输入电压Ui增加，或负载电流减小时，将会引起输出电压UL增加。UL的增加量通过R1、R2分压取样，使Q2的基极电压UB2升高，由于Q2的射极电压Ue2=Uz基本不变，所以Ube2（Ube2＝Ub2-Uz）增加Ic2增加，使Uc2（Uc2＝Ub1）下降，Ube1减小，导致Ic1减小，而Uce1增大，使UL基本上维持稳定。上述稳压过程可表示为：

Ui↑（或IL↓）→UL ↑→UBE2↑→IC2↑→UC2↓（UB1↓）→UBE1↓→IC1↓→UCE1↑→UL↓

同理，当Ui减小或IL增大时，Uo降低，通过上述调整过程叉会使Uo上升，也维持Uo基本稳定。

LDO工作原理

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。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

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；与之相比，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。最新的LDO电路中使用MOS功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的导通电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电源电流；另一方面，在采用PNP管的结构中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。

LDO与串联型稳压电源的区别是LDO中的调整管工作在饱和状态，运放控制的是饱和程度的高低，而串联型稳压电源，调整管工作在放大状态。

参考信息链接：

[组图]带有放大环节的串联型稳压电路 - 电源设计应用 - 电子发烧友网

https://wenku.baidu.com/view/d5a6a0825022aaea998f0f71.html

三种串联型稳压电源原理介绍

PCB布板

LDO在PCB板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近RF线时降噪性能会受影响。滤波电容器汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。在通常的布线设计中常常遇到此类情况。

Vin和Vout的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。

在LDO使用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电容器无极性和具有低的ESR，典型值<100mΩ，电容器的ESR对输出纹波有重大影响。

ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R 电介质是最好的，但使用成本略高，X5R电介质较好，性能/价格比适宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。

LDO在PCB板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近RF线时降噪性能会受影响。滤波电容器汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。新一代的LDO都是用CMOS工艺生产的，它和使用Bipolar工艺生产的LDO功能上没有多大的区别，可是静态电流、压降、噪音和成本等的内在性能有很大的提高。

四、主要参数

1、输出电压（OutputVoltage）

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（MaximumOutputCurrent）

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（DropoutVoltage）

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（GroundPinCurrent）

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（LoadRegulaTIon）

负载调整率可以通过图2-1和式2-1来定义，LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。