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隨著More-Than-Moore(超摩爾定律)的口號(hào)越來(lái)越響亮，逐漸帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能穿戴設(shè)備的興起。而這些設(shè)備里面不可或缺的就是MEMS傳感器，所以前面花了兩堂課講了一些MEMS相關(guān)的普及知識(shí)，后面還會(huì)繼續(xù)和大家一起做深入學(xué)習(xí)。

但是不管是穿戴設(shè)備還是智能手機(jī)，最重要的是怕天天充電，而傳感器的電源也需要靠Energy-Harvester將外界光能/動(dòng)能/磁能轉(zhuǎn)換成微弱的電能，可想其功耗要求是多么重要。這就是為什么智能手機(jī)都不用Intel的CPU而改用ARM的處理器架構(gòu)，因?yàn)锳RM的架構(gòu)注重功耗，而Intel的架構(gòu)注重性能。

而在移動(dòng)設(shè)備和穿戴設(shè)備里，最重要的除了有ARM的處理器架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗之外，還有就是電源管理IC了，這是個(gè)啥東西？其實(shí)就是管理各個(gè)芯片工作電壓的大管家，它負(fù)責(zé)把鋰電池輸出的3.7V電壓輸出給各自芯片的Vin端供芯片工作。傳統(tǒng)意義的電源管理就是AC/DC(交流轉(zhuǎn)直流)或者DC/DC(直流轉(zhuǎn)直流)，怎么又冒出一個(gè)LDO了？

1、何為L(zhǎng)DO？

LDO即低壓差線性穩(wěn)壓器(Low-DropOut regulator)，它的賣點(diǎn)是“低壓差”，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的線性穩(wěn)壓器(78xx)都需要輸入電壓比輸出電壓高2~3V以上，否則就不能正常工作。在下面幾種情況下就沒有優(yōu)勢(shì)了，所以才產(chǎn)生了LDO類的降壓芯片或電路模組。

1) 我們的鋰電池是3.7V，而我們的芯片是1.8~3.3V的時(shí)候如何通過穿通的線性穩(wěn)壓器來(lái)降壓？

2) 我們的鋰電池電壓隨著電量減少電壓是逐漸下降的，當(dāng)下降到使得輸入與輸出小于2V時(shí)就無(wú)法工作了，而只有LDO可以讓電池?fù)蔚接捅M燈枯。

3) 搞半導(dǎo)體的都知道Mix-signal都有core device和IO device，比如5V/3.3V，3.3V/1.8V，這樣從IO到core的時(shí)候壓差只有1.7V、1.5V怎么降壓？

2、電路原理及特性：

LDO的主要電路圖如下圖，其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要稍微學(xué)校里學(xué)過點(diǎn)電路就懂。它的核心在于圓圈里面的晶體管(可以是MOSFET也可以是BJT)，為什么叫做線性穩(wěn)壓源其實(shí)就是利用了晶體管工作在線性區(qū)，能夠通過控制柵極電壓來(lái)控制溝道電阻從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，所以Vout=Vin-I*Rlin。簡(jiǎn)單吧~但是它只能實(shí)現(xiàn)降壓，不能實(shí)現(xiàn)升壓，如果升壓你就只能選擇DC-DC或者charge pump了。

可是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整Vout？這就需要如圖的兩個(gè)電阻R1/R2組成的取樣電壓接入誤差放大器同相端，然后外面給個(gè)參考電壓接入誤差放大器的反向端(極性不能反否則無(wú)法放大，如果是NMOS則反過來(lái)接)，只要Vout發(fā)生變化則取樣電壓與Vref?(可由bandgap產(chǎn)生)的電壓差就會(huì)被放大輸出給gate從而調(diào)整晶體管的輸入輸出特性達(dá)到調(diào)整Vout的效果。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)校正的過程，所以才叫做穩(wěn)壓器而不是降壓器/變壓器。是不是很神奇？

原則上，只要有線性特性的器件都可以，所以BJT和MOSFET都可以，但是BJT主要因?yàn)樗请娏骺刂菩筒环系凸牡囊?#xff0c;而且驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以Vin和Vout的差值還是太高，所以現(xiàn)在都采用MOSFET。至于該采用NMOS還是PMOS主要還是取決于壓差，通常選用PMOS。因?yàn)镻MOS的dropout電壓是就是飽和壓降Vdsat=Vin-Vout大約是200mV，而NMOS由于drop-out電壓受到了誤差放大器輸出電壓的限制（誤差放大器的輸出電壓最大只能達(dá)到其電源電壓，即LDO的輸入電壓），所以drop-out電壓大小為NMOS的Vgs（Vdsat+Vth），所以就沒有PMOS的優(yōu)勢(shì)了。當(dāng)然也可以引入charge-pump提高誤差放大器的電源電壓來(lái)解決但是提高了復(fù)雜度和成本，但是NMOS調(diào)整管的PSRR(電源抑制比)比PMOS好。

3、LDO的參數(shù)：(Refer RichTek:?LDO selection guide)

1) 輸入輸出電壓差(Drop-out Voltage)：這個(gè)應(yīng)該沒什么好說(shuō)的吧，賣的就是這個(gè)了~~理論上當(dāng)然越低越好。一般PMOS可以做到200mV。

2) PSRR：這就是LDO經(jīng)典的參數(shù)電源紋波抑制比(Power Supply Ripple Rejection)，它是很多LDO芯片用來(lái)衡量LDO對(duì)不同頻率輸入電源紋波的抑制能力，它反映的是LDO不受噪聲和電壓波動(dòng)而保持輸出電壓穩(wěn)定的能力(抗干擾能力)。其計(jì)算公式為輸出電壓和輸入電壓紋波幅度的比值，所以PSRR值越低越好。(反之則反)

3) 超低靜態(tài)電流Iq(Quiescent)：這種主要應(yīng)用在傳感器一類的元件中，大部分時(shí)間都是休眠的，所以在靜止?fàn)顟B(tài)下的電流是待機(jī)的主要?dú)⑹?#xff0c;它主要是直接對(duì)地進(jìn)行電流測(cè)試(一般幾個(gè)uA)。

4) Vin MIN: 最小值決定了你是否能開啟LDO的調(diào)整管，因?yàn)楫?dāng)Vin小于1V時(shí)(RTK standard)，可能Vin-Vout無(wú)法開啟調(diào)整管則無(wú)法工作，此時(shí)必須外接charge pump給誤差放大器了，那我們就干脆選用NMOS做調(diào)整管了。

5) 線性調(diào)整率/負(fù)載調(diào)整率：

a. 線性調(diào)整率(Liner regulation)：輸出電壓的變化與輸入電壓的變化比值(ΔVout/ΔVin)。

b. 負(fù)載調(diào)整率(Load regulation)：指輸出電壓隨負(fù)載電流的變化情況(ΔVout/ΔIout)。

這兩個(gè)參數(shù)都對(duì)應(yīng)電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，通常情況下，輸出電壓隨輸入電壓的降低及負(fù)載電流的增大而降低。要想提高線路及負(fù)載調(diào)整率，較為直接的方法是提高環(huán)路增益。

4、LDO與DC-DC的差別：

所謂DC-DC其實(shí)就是直流變直流電壓，當(dāng)然LDO也算是DC-DC的一種，只是LDO只能實(shí)現(xiàn)降壓。

一般的DC-DC主要內(nèi)部通過自激振蕩電路先由DC轉(zhuǎn)成AC交流，所以外面需要電感和電容實(shí)現(xiàn)LC振蕩(而LDO只要一個(gè)濾波電容)，再在輸出端通過積分濾波從AC回到DC，而它的電壓變化主要是在AC電源期間實(shí)現(xiàn)升壓(Boost)、降壓(Buck)、反向等，但是由于轉(zhuǎn)換兩次會(huì)產(chǎn)生損耗，所以如果需要提高效率可以從這方面入手，但是它的效率任然遠(yuǎn)高于LDO。(舉個(gè)例子為什么電網(wǎng)輸送一定是高壓傳輸?shù)蛪喝霊?#xff1f;就是為了降低傳輸損耗。)

除了壓降比較低之外，LDO的另外一個(gè)賣點(diǎn)是“穩(wěn)”，做模擬電路的人都知道輸出端主要變數(shù)在于負(fù)載，如果負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候輸出電壓是不是也跟著變化了(基爾荷夫電壓定律)，而此時(shí)這個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)壓電路就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)快速做出回應(yīng)保持Vout不變。

如果輸入比輸出高>3V的時(shí)候建議還是用傳統(tǒng)的DC-DC(開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器)，因?yàn)楦邏狠斎氲蛪狠敵瞿Ｊ降墓β氏谋容^低，所以轉(zhuǎn)換效能比較高，因?yàn)镻loss=(Vin-Vout)*Iload。

DC-DC的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致電源噪聲很大，所以PSRR會(huì)比LDO差，所以在敏感的模擬(Analog)電路需要選擇純凈的LDO。

5、LDO的制程注意點(diǎn)：

1) 調(diào)整管：這個(gè)晶體管的Analog特性要非常好，線性度，導(dǎo)通電阻，跨導(dǎo)特性，還有低漏電。

2) 誤差放大器：因?yàn)樗蛥⒖茧妷罕容^，所以mismatch很重要。

3) 取樣電阻：它直接決定了Vout電阻取樣控制gate的特性，以及靜態(tài)對(duì)地電流。

6、主要的公司：ADI、Liner Technology、RichTek(立琦)、OnSemi(安美森)、TI、Diodes、FairChaild等等。但是現(xiàn)在很多IC都已經(jīng)把這個(gè)模塊整合到它的芯片里面去了，所以很多時(shí)候你們會(huì)看到有一個(gè)CP測(cè)試的bin叫做LDO。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数字SOC设计之低功耗之线性稳压器(LDO)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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