前沿

第三篇，LDO工作原理比較簡單。一些性能指標比較重要，面試的時候經常會被問。

LDO

1、簡介

LDO(low dropout regulator-低壓差穩壓器) 是一種線性穩壓器，使用在其飽和區域內運行的晶體管或場效應管(FET)，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO(低壓降)穩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線性穩壓器的壓降為 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。

DC-DC的意思是直流變(到)直流(不同直流電源值的轉換)，只要符合這個定義都可以叫DC-DC轉換器，包括LDO。但是一般的說法是把直流變(到)直流由開關方式實現的器件叫DC-DC。

LDO是低壓降的意思，這有一段說明：低壓降(LDO)線性穩壓器的成本低，噪音低，靜態電流小，這些是它的突出優點。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線性穩壓器可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態電流6μA(TI的TPS78001達到Iq=0.5uA)，電壓降只有100mV。 LDO線性穩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整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩壓器是使用PNP晶體管。P溝道MOSFET是電壓驅動的，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。由于MOSFET的導通電阻很小，因而它上面的電壓降非常低。

2、工作框圖

LDO內部基本都是由4大部件構成，分別是分壓取樣電路、基準電壓、誤差放大電路和晶體管調整電路。

分壓取樣電路---通過電阻R1和R2對輸出電壓進行采集，

誤差放大電路---將采集的電壓輸入到比較器反向輸入端，與正向輸入端的基準電壓進行比較，再將比較結果進行放大，

晶體管調整電路---把這個放大后的信號輸出到晶體管的控制極(也就是PMOS管的柵極或者PNP型三極管的基極)，從而這個放大后的信號(電流)就可以控制晶體管的導通電壓了

這就是一個負反饋調節回路。晶體管輸出電壓就是輸入電壓減去導通電壓，因此控制了導通電壓就相當于控制了LDO的輸出電壓了。

3、性能指標

最小壓差(dropout voltage)：

指輸入電壓進一步下降而造成LDO不能再調節時的輸入至輸出電壓差。

壓差越大，效率越低(本身吃掉了很多能量電流×晶體管壓降)，壓差越小，LDO電壓轉換效率越高以及能量損耗越小。

電源抑制比(PSRR Power supply rejection ratio)：

PSRR是用來量化LDO對不同頻率的輸入電源紋波的抑制能力的，它反映了LDO不受噪聲和電壓波動、保持輸出電壓穩定的能力。

PSRR = 20 × log(ΔVIN / ΔVOUT )根據公式可知，PSRR越大，表明LDO對于紋波的抑制效果越好。

輸入電壓范圍：穩壓器輸入端可以輸入的電壓范圍。

輸出電壓：穩壓器輸出端的輸出電壓值。

最大輸出電流：穩壓器輸出端的最大輸出電流值。

線性調整率：穩壓器輸入變化對輸出的影響，即在負載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比。線性調整率越小越好。

負載調整率：是指在給定負載變化下的輸出電壓的變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載。負載調整率越小越好。

瞬態響應：表示負載電流突變時引起的輸出電壓的最大變化，它是輸出電容及其等效串聯電阻和旁路電容的函數。其中輸出電容的作用是提高負載瞬態響應的能力，也起到了高頻旁路的作用。

靜態電流：它包括基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流過溫檢測等電路的工作電流。靜態電流越大，穩壓器的效率越低。靜態電流由拓撲結構、輸入電壓和溫度確定。

最大耗散功率：為了確保LDO節點溫度不至于過高而損壞，LDO都必須計算最大耗散功率。LDO的實際耗散功耗要小于最大耗散功率，否則可能損壞LDO芯片。

4、拓展：

其他工作框圖

Thermal shutdown 過熱保護

UVLO 欠壓保護

Current limit 電流限制

5、Bandgap 帶隙基準

Bandgap voltage reference 最經典的帶隙基準是利用一個具有正溫度系數的電壓與具有負溫度系數的電壓之和，二者溫度系數相互抵消，實現與溫度無關的電壓基準，約為1.25V。

PN結二極管產生壓降V(BE),溫度洗漱為-2.0mV/℃;熱電壓V(T)=KT/q，溫度系數為+0.085mV/℃。

V(REF)= V(BE)+K V(T);k=2.2/0.085=23.5

在理論實現零溫度系數V(REF)=0.65+0.026*23.5=1.26V

由于該電壓等于硅的帶隙電壓，故稱為“帶隙基準電路”

模擬電路廣泛的包含電壓基準和電流基準。這種基準是直流量，與電源和工藝參數關系很小，但是和溫度的關系是確定的。

產生基準的目的是建立一個與電源和工藝無關，具有確定溫度特性的直流電壓或電流。在大多數應用中，所要求的溫度關系采取下面三種形式中的一種：

1)與絕對溫度成正比;

2)常數Gm特性，也就是，一些晶體管的跨導保持常數;

3)與溫度無關。

要實現基準電壓源所需解決的主要問題是如何提高其溫度抑制與電源抑制，即如何實現與溫度有確定關系且與電源基本無關的結構。由于在現實中半導體幾乎沒有與溫度無關的參數，因此只有找到一些具有正溫度系數和負溫度系數的參數，通過合適的組合，可以得到與溫度無關的量，且這些參數與電源無關。