一文搞懂LDO基础知识

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目录

1. LDO是什么？

2. LDO工作原理—以PMOS型为例

3. LDO的主要参数

4. LDO选型设计

5. PCB Layout设计

6. LDO的特点

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LDO作为电子产品中使用最多的电源芯片之一，它具有低压差、纹波噪声小等特点。

1. LDO是什么？

无论是上拉还是下拉电阻，本质都是电子元器件中的一个常用器件：电阻；

LDO是低压差线性稳压器“Low Dropout Regulator”的英文缩写；

顾名思义，三炮儿是这样理解的，

低压差：输入电压与输出电压的差值低；

线性：指的是MOS基本工作在线性区，即可变电阻区；

稳压：当输入电压VIN在正常范围内时，输出电压VOUT都稳定在一个我们需要的固定电压值；

举个栗子，输入电压VIN为1.6~5.5V，输出电压VOUT始终保持在1.2V。

LDO Typical Applications

从上图可以看出，LDO的使用方式简单，只需在外围加几颗电容；但它能构建低噪声电源为敏感电路供电。

LDO的外围电路应简单，与其构造原理密不可分。

2. LDO工作原理—以PMOS型为例

从拓扑图可以看出LDO内部主要由几个部件构成：

基准参考电压源、误差放大器、分压取样电阻(构成反馈网络)，以及调整元件；

其核心是调整元件（MOSFET/晶体管）和误差放大器。

输出电压的计算公式为VOUT = VREF×（1+R0/R1）

乍一看公式，输出电压的大小与输入电压的大小无关，但其实并不是无关的，需要满足一定的压差和耐压。

前面说了，LDO的作用更是稳定一个固定电压值输出，

若负载导致输出电压变化，LDO是怎样将输出电压稳定在固定值的呢？

LDO的反馈调整稳压过程

请参考下图

当输出电压VOUT因负载功耗变化而减小，分压取样电阻R1所分配的电压VR1减小，即误差放大器正相端电压V+减小，

V+与基准参考电压VREF的差值减小，误差放大器的输出也随之减小，使G极电压VG减小，

G极与S极的电压差VGS也减小，即压差绝对值|VGS|增大，

电流Isd增大，VOUT随之增加；

以上是一次反馈调整过程，经过不停调整使VOUT稳定在设定值。

VOUT↓ ->VR1↓ ->V+↓ ->VG↓ -> |VGS| ↑ ->Isd↑ ->VOUT ↑

有些LDO的工作状态是被设计在恒流区的

仍以PMOS为例说明，请参考下图

、、

如果VOUT 减小，

根据基尔霍夫电压定律，在整个回路中，VIN -VOUT =VSD，即 VIN -VOUT = -VDS，当VOUT 减小时，则 (-VDS)随之增大，工作点由A点移向B点，

当VOUT 减小的同时，VR1随之减小，即V+减小；

V+与基准参考电压VREF的差值减小，误差放大器的输出也随之减小，使G极电压VG减小，

G极与S极的电压差VGS也减小，工作点由B点移向C点，即ID 增大（Isd增大），Vout 增大。

除了PMOS型架构LDO，还有NMOS型，NPN型晶体管、PNP晶体管型。

3. LDO的主要参数

3.1 压降Vdrop

压降电压 Vdrop是指为实现正常稳压，输入电压 VIN必须高出所需输出电压 VOUT 的最小压差，其最小压差是由其架构和工艺决定的，现在的的 LDO 一般采用 CMOS 工艺，压降大大降低，通常为数百毫伏。

3.2 输入电压VIN

通常指 LDO 正常工作的输入电压范围， 其范围在LDO 正常工作的最低输入电压和最大能承受的电压之间。

3.3 输出电压VOUT

固定输出电压型的LDO，一般把反馈环路（分压取样电阻）内置，常见的输出电压值有 1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V 等；

此外也有输出电压可调型的LDO，一般通过外部反馈电阻，将输出电压调整到期望值

3.4 输出电流 IOUT

LDO 正常工作是的最大输出电流

3.5 线性调整率

LDO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。

计算公式如下：

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

3.6 负载调整率

一般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。

计算公式如下：

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

3.7 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。

3.8 PSRR-电源抑制比

PSRR 是一个尤为重要的技术参数，在许多 LDO 规格书中都会列出。

它表征了特定频率的干扰信号从 LDO 输入衰减到输出的程度，

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。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

3.9 噪声

理想的 LDO 能生成没有交流元件的电压轨。

实际应用时，LDO 本身也会向其他电子元器件一样产生噪声。

3.10 输出电压VOUT静态电流

静态电流 IQ 是系统处于待机模式且在轻载或空载条件下所消耗的电流。

此电流很小，但在对于大部分时间都处于待机或关机模式的应用，

如智能手表等，静态电流将产生重大影响。

3.11 工作温度

工作温度指LDO的正常工作温度范围

3.12 热参数

结到环境空气热阻 (RθJA)是LDO 选型时需要考虑的最重要特性之一，热阻与封装大小有关，

需结合压降、负载情况选择相应的封装

工作环境温度+压降×输出电流×RθJA 不能超过产品或LDO的工作环境温度，

一般还需要一定程度的降额。

3.12 过流保护

在有些应用场景需要限流保护，因此部分LDO有过流保护功能，

一旦超过电流限制，输出电压不再进行调节。

4. LDO选型设计

选型时，首先要先明确自己的需求，

还要进一步看清规格书中，某一良好指标所对应的其他参数要求，不然容易给自己挖坑。

4.1 满足输入输出电压（最小压降）、输出电流外；

4.2 还应根据具体使用场景着重考虑噪声、PSRR、温升等参数是否满足性能和降额要求；

例如PLL锁相环，ADC、CMOS图像传感器等器件对噪声和PSRR的要求很高，

有的图像传感器应用中，要求其供电LDO在800kHz频率点处的PSRR ＞45。

关于PSRR：需要注意的是，有些LDO的PSRR乍一看很高，

但针对的是低频场景，要看曲线图中需要考虑的频率点的PSRR，

举一反三，其他参数可能也是如此。

4.3 输入电容

输入电容能不仅对调整器的输入进行滤波，

还能抵消输入线较长时产生的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡。

一般，输入端采用2个以上电容并联设计，用来滤波、消除振荡作用。

温度对电容特性的影响不可忽略，一般电容需要进行70%的降额，钽电容降额一般在50%。

4.4 输出电容

LDO的性能指标受输出电容的影响，

其中，容值、ESR对电路频率响应的影响最为主要，输出电容及其ESR选择不当，容易引起电路的自激振荡；

在电容选型时，要考虑温度对容值、ESR的影响，以保证在整个温度范围内电路都是稳定的。

此外，LDO控制环路的带宽有限，

可利用输出电容提供快速瞬变所需的大部分负载电流。

1uF电容产生约90mV的负载瞬变

10uF电容将负载瞬变降低至约80mV

22uF电容将负载瞬变降低至约60mV

在PCB单板面积允许的情况下，增加输入输出端的电容，以改善LDO PSRR、纹波等性能

4.5 供应链关系

考察供应商资质，主要涉及到价格、供货可持续性，以及物料可替代性等影响器件品控、成本和可持续交付的因素。

5. PCB Layout 设计

• 输入输出电容靠近相应管脚摆放；

• 输入输出走线尽可能宽、可铺铜，尽可能短；

• 输出电压可调LDO的外部反馈电阻靠反馈管脚放置；

• 大的GND焊盘须打过孔以便散热， 背面须开阻焊窗；

• 输入输出的GND尽量汇接在一起单点接地，保持完整的回流x

6. LDO的特点

6.1 外围电路简单，价格便宜

相比DCDC转换器的应用需要电感、电容、电阻、二极管等外围器件，且布局也有讲究，

LDO的应用设计简单，除了输入、输出端加上滤波电容，或者输出端增加并联电阻做假负载外，不需要其他外围器件；

LDO芯片价格一般相对便宜，且外围电路简单，成本低。

6.2 噪声低、纹波小

其原理为线性调节不会产生开关噪声，噪声小、输出电压纹波小。

6.3 效率较低

LDO应用中要注意输入电压与输出电压差不能太大，否则效率会非常低，温升也增加大。

LDO效率可通过η= Vout/Vin ×100%，

比如，输入电压Vin为12V，输出电压Vout为3.3V，计算得出效率η=27.5%，效率很低。

在LDO应用时时，尽量减小输入输出电压差，注意效率和温升。

以上为三炮儿关于LDO的一些认识和理解，不足之处，请大牛不吝赐教，谢谢。

END

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