LDO低压差线性稳压器-知识总结

LDO

一.LDO的基本介绍

LDO是lowdropoutregulator,意为低压差线性稳压器，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高出2V〜3V以上，否则就不能止常

工作。但是在一些状况下，这样的条件明显是太苛刻了，如5v转3.3v,

输入及输出的压差只有l.7v,明显是不满意条件的。针对这种状况,

才有了LDO类的电源转换芯片。

LDO是一种线性稳压器。线性稳压器运用在其线性区域内运行

的晶体管或FET,从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过

调整的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在

其额定值上下100成之内所需的输入电压及输出电压差额的最小

值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常运用功率晶体管（也

称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以

有一个特别低的压降电压，通常为200mV左右；及之相比，运用

NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。负输出

LDO运用NPN作为它的传递设备，其运行模式及正输出LDO的PNP

设备类似。

更新的发展运用MOS功率晶体管，它能够供应最低的压降电

压。运用功率MOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载

电流的ON电阻造成的。假如负载较小，这种方式产生的压降只

有几十毫伏。

DC-DC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只

要符合这个定义都可以叫DCDC转换器，包括LDO。但是一般的说

法是把直流变（到）直流由开关方式实现的器件叫DCDCo

LD0是低压降的意思，这有一段说明：低压降（LD0）线性稳

压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它

须要的外接元件也很少，通常只须要一两个旁路电容。新的LD。

线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30uV,PSRR为60dB,静

态电流6HA（TI的TPS78001达到Iq=0.5uA）,电压降只有100mV（TI

量产了号称0.ImV的LDO）oLD0线性稳压器的性能之所以能够达

到这个水平，主要缘由在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而

一般的线性稳压器是运用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动

的，不须要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方

面，采纳PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状

态而降低输出实力，输入和输出之间的电压降不行以太低；而P

沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流及导通电阻的乘积。由

于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降特别低。

假如输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可

达到很高的效率所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压

的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最彳发有百分之十

是没有运用，LDO稳压器仍旧能够保证电池的工作时间较长，同时

噪音较低。

假如输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的

DCDC了，因为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是

等于输出电流的，假如压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不

高。

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC

转换器的优点是效率高、可以输出大.

电流、静态电流小。随著集成度的提高，很多新型DC-DC转换器

仅须要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源限制器的

输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

近几年来，随著半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容

器、以及高集成度的电源限制芯片的成本不断降低，体积越来越

小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率，因而

不须要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压，利用芯片上

的NFET可以得到5V/2A的输出。其次，对于中小功率的应用，可

以运用成本低小型封装。另外，假如开关频率提高到1MHz,还能

够降低成本、可以运用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件

还增加很多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

总的来说，升压是肯定要选DCDC的，降压，是选择DCDC还是

LDO,要在成本，效率，噪声和性能上比较。

二.LDO原理分析

依据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压

电源和开关稳压电源。此外，还有一种运用稳压管的小电源。这里说

降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压及取样

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，从而使输出电压上升。相反，若输出电压Uout超过所须要的

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串

联调整管回路反应速度的限制。环路内的负反馈总是强制比较放大器

调整输入两端的电压使其相等。

稳压管的另一个重要的指标就是稳定性，在我们的设计线路中经

常看到在其输出端会有大大小小的电容，其作用是什么呢？下面详细

分析稳压管的反馈及Bl路稳定性。

前面提到过三中稳压管：

1.NPN稳压管

严

./VOLTAGE

CONTROL

图1,NPN稳压器

例如：LM340LM317比较老的3端稳压管

2.LD0稳压管

图2.PNPLD5ft压器

例如：S-1167Series

3.准LDO稳压器

1O123W3

图3.准LDO稳压器

三种稳压器的最大区分在于压降和接地引脚电流。很明显NPN和准

LDO的稳压管在调整管上略微困难点，所以压降也大些。达林管的增

益很高，所以只须要很小的电流就可以驱动，准LDO也是这样，IGND

很小。PNP管的放大系数一般是15-20,LDO的IGND电流能达到负载

电流的7虬NPN稳压管的最大好处就是无条件的稳定（大多数不须

要加外接电容），LDO则须要在输出端加上电容，以削减回路带宽及

供应些正的相位补偿。

全部的稳压器都运用负反馈回路以保持输出电压的稳定。但反馈

信号在通过回路后都有肯定的增益和相位变更。假如反馈信号相位有

180度变更，负反馈就会变成正反馈，造成输出不稳定。因此反馈信

号经过整个回路的相位偏移，须要有至少20度的相位裕度，这样才

能保证电路的稳定。（相位裕度定义为回路总的相位偏移及T80度的

差）。

环路的不稳定来自于相位移量，我们可以在反馈回路中通过变压

器注入正弦小信号，如下图所示,LoopGain=Va/Vb,从Vb传入沟通小

信号，同过回路产生相移到达Vao这样可以计算回路增益，相位的

偏移量。（此处以LD0分析）。

S-V~INJECT［回

SI8GNAL襄

ERRS

-----------------------------------i-►GNC

10123906

可以通过网络分析仪来测量回路增益，它通过向网络回路注入低电

平的正弦波，然后从直流信号扫描到使增益下降到OdB的频率来测量

增益的响应。

下面以一幅波特图详细分析反馈回路的增益及相位变更状况。

10o

8o

(

8

P

)6o

N

<4o

9

2o

o

(_2o

aao

s)

t

dHs9o

s_

18o

1ookoMO

00ok

FREQUENCY(Hz)

10123911

概念：

极点增益曲线出现-20dB/10倍频变更的点

零点在增益及相位上的效果及极点相反。

极点相移二-arctan(f/fp)

零点相移=@1'9211(f/fz)

假设直流增益为80dB(lOTOOHz处的增益)，100到IKHz增益削

减了20dB,lOK-lOOKIIz增益削减20dB,100K-lMHz增益削减40dB(斜

率有-20dB/10倍频的变更)。图中可以看出有3个POLE,一个ZERO。

1MHz处的增益是OdB,说明1MHz的小信号在此截止，此回路的带宽

就是1MHzo

从这个波特图能看出这个系统稳定么？前面说了系统是否稳定主

要看相位移量，而我们只要看在OdB时的相移就可以了(图中是

1MHz)。

上图中有3个极点和1个零点，前两个极点产生-180度相移，零

点产生90度相移，最终一个极点在40dB到OdB处，斜率为-40比/10

倍频。依据极点相移公式-arctan（f/fp）二-arctan（10）=-1.47,换算

成角度为-84.3度。所以总的相移为-180+90-84.3=174.2度。前面说

到相位裕度等于I-180+174.2|=5.8<20.

所以此回路不稳定。

看似上面的分析比较困难，其实是自动限制理论里面的传输函数

和根迹图的概念.简洁的说,一个（线形）系统是否稳定（不会产生振荡）

取决于它的传输函数的极点分布.（极点的实部必需小于零），而且极

点实部负数的肯定值越大，系统越稳定.我们就可以通过增加极点或

是零点来调整相位裕度，从而使系统达到稳定。

调整LDO系统的稳定性，最常见的补偿方法是在系统中插入零点

来取消相移和极点,由于LDO已经就正常运行要求了一个输出电容

器，因此运用输出电容器的ESR通常就是最简洁也最廉价的生成零点

的方法。等效串联电阻（ESR）是每个电容都具有的几个基本特性。

可以看为电阻和电容的串联等效电路。

；ESRC；

、I一一一一一一—一—一一一.I

101ZS14

输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，用来削减过量的负相

移。增加系统的带宽，使更稳定。零点处的频值：

Fzero=1/（2nxCoutxESR）

假设一个LDO系统在OdB时的截止频率是30kHzo在其输出端增加输

出电容为10uF,输出电容的ESR=lohnio则在16kHz处产生零点。

80

£

;

S三

FREQUENCY(Hz)

1012沏21012966

图13.未经补偿的LDOW益波特国

图15.用ESR/点稔定LDO

一般的LD0会由负载阻抗、输出容抗等自身产生一些极点。图中

有3个极点（详细由来就不做分析，可由网络分析仪扫描出），但有

1个Ppwr在OdB之后的频段，也就是带宽之外，可以不考虑。从上

面两幅波特图的对比看出，其次张图增益曲线，当增加了输出电容后,

从80dB到OdB变得更平缓些。系统的带宽也许从40KHz增加到lOOKHz

左右。相位裕度也相应的增加。

那么系统对ESR又有什么要求呢？比如此例中设ESR=20ohni,则

零点频率会降低到Fzero=800Hz,使系统的带宽增加到2MHz,从完全

的波特图我们发觉在100K到2MHz之间又多了一个极点Ppwro这就

意味着系统又有了-90度的相移，零点就失去了其意义。那么ESR是

不是越小越好呢？设ESR=50mohmo零点频率会降到320kHzo不用看

就知道，系统地稳定性基木没变更，因为系统的带宽就是40KHz，增

加的零点频率为320KHz已经超出了带宽。

综上所述，在输出端加入输出电容是为了补偿LDO稳压器的。所

以选择的电容ESR要求要严格，首先要符合系统的回路频率特性，同

时也要有较好的温度特性，不能随温度变更而变更过大。频率响应也

是重要的指标。这点锂电容是比较好的选择。(ESR是指在肯定温度

下的某个频率下的最大阻值，厂商一般定义为25摄氏度100KHz)o

三.LDO的相关参数

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运用比较便利，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，不行能满意全部的应用要

求，但是外接元件数值的变更将影响稳定精度。

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，应依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.OVo

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，输入电源供应

的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流，但是采纳PNP晶体

管作串联调整管元件时，这种习惯叫法是不正确的。通常较志向的低

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抑制负载干扰的实力越强。

图2-2OutputVoltage&InputVoltage

AV

^VLoad=—=—xlOO%

其中Vload一负载调整率

Imax—LDO最大输出电流

Vt—输出电流为Imax时，LDO的输出电压

Vo—输出电流为0.1mA时，LDO的输出电压

V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差

6.线性调整率(LineRegulation)

线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义，LDO的线性调整率

越小，输入电压变更对输出电压影响越小，LDO的性能越好。

AV

xlOO%

Vox(V-Vo)