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隨著More-Than-Moore(超摩爾定律)的口號越來越響亮，逐漸帶動物聯網(IoT)、智能穿戴設備的興起。而這些設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相關的普及知識，后面還會繼續和大家一起做深入學習。

但是不管是穿戴設備還是智能手機，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/動能/磁能轉換成微弱的電能，可想其功耗要求是多么重要。這就是為什么智能手機都不用Intel的CPU而改用ARM的處理器架構，因為ARM的架構注重功耗，而Intel的架構注重性能。

而在移動設備和穿戴設備里，最重要的除了有ARM的處理器架構來實現低功耗之外，還有就是電源管理IC了，這是個啥東西？其實就是管理各個芯片工作電壓的大管家，它負責把鋰電池輸出的3.7V電壓輸出給各自芯片的Vin端供芯片工作。傳統意義的電源管理就是AC/DC(交流轉直流)或者DC/DC(直流轉直流)，怎么又冒出一個LDO了？

1、何為LDO？

LDO即低壓差線性穩壓器(Low-DropOut regulator)，它的賣點是“低壓差”，因為傳統的線性穩壓器(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勢了，所以才產生了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的時候如何通過穿通的線性穩壓器來降壓？

2) 我們的鋰電池電壓隨著電量減少電壓是逐漸下降的，當下降到使得輸入與輸出小于2V時就無法工作了，而只有LDO可以讓電池撐到油盡燈枯。

3) 搞半導體的都知道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，其實很簡單，只要稍微學校里學過點電路就懂。它的核心在于圓圈里面的晶體管(可以是MOSFET也可以是BJT)，為什么叫做線性穩壓源其實就是利用了晶體管工作在線性區，能夠通過控制柵極電壓來控制溝道電阻從而達到控制輸出電壓的目的，所以Vout=Vin-I*Rlin。簡單吧~但是它只能實現降壓，不能實現升壓，如果升壓你就只能選擇DC-DC或者charge pump了。

可是如何實現自動調整Vout？這就需要如圖的兩個電阻R1/R2組成的取樣電壓接入誤差放大器同相端，然后外面給個參考電壓接入誤差放大器的反向端(極性不能反否則無法放大，如果是NMOS則反過來接)，只要Vout發生變化則取樣電壓與Vref?(可由bandgap產生)的電壓差就會被放大輸出給gate從而調整晶體管的輸入輸出特性達到調整Vout的效果。這是一個動態校正的過程，所以才叫做穩壓器而不是降壓器/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主要因為它是電流控制型不符合低功耗的要求，而且驅動電流比較大，所以Vin和Vout的差值還是太高，所以現在都采用MOSFET。至于該采用NMOS還是PMOS主要還是取決于壓差，通常選用PMOS。因為PMOS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的優勢了。當然也可以引入charge-pump提高誤差放大器的電源電壓來解決但是提高了復雜度和成本，但是NMOS調整管的PSRR(電源抑制比)比PMOS好。

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

1) 輸入輸出電壓差(Drop-out Voltage)：這個應該沒什么好說的吧，賣的就是這個了~~理論上當然越低越好。一般PMOS可以做到200mV。

2) PSRR：這就是LDO經典的參數電源紋波抑制比(Power Supply Ripple Rejection)，它是很多LDO芯片用來衡量LDO對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而保持輸出電壓穩定的能力(抗干擾能力)。其計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) 超低靜態電流Iq(Quiescent)：這種主要應用在傳感器一類的元件中，大部分時間都是休眠的，所以在靜止狀態下的電流是待機的主要殺手，它主要是直接對地進行電流測試(一般幾個uA)。

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

5) 線性調整率/負載調整率：

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

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

這兩個參數都對應電路的穩態響應特性，通常情況下，輸出電壓隨輸入電壓的降低及負載電流的增大而降低。要想提高線路及負載調整率，較為直接的方法是提高環路增益。

4、LDO與DC-DC的差別：

所謂DC-DC其實就是直流變直流電壓，當然LDO也算是DC-DC的一種，只是LDO只能實現降壓。

一般的DC-DC主要內部通過自激振蕩電路先由DC轉成AC交流，所以外面需要電感和電容實現LC振蕩(而LDO只要一個濾波電容)，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電源期間實現升壓(Boost)、降壓(Buck)、反向等，但是由于轉換兩次會產生損耗，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高于LDO。(舉個例子為什么電網輸送一定是高壓傳輸低壓入戶？就是為了降低傳輸損耗。)

除了壓降比較低之外，LDO的另外一個賣點是“穩”，做模擬電路的人都知道輸出端主要變數在于負載，如果負載發生變化的時候輸出電壓是不是也跟著變化了(基爾荷夫電壓定律)，而此時這個動態的穩壓電路就可以自動調節來快速做出回應保持Vout不變。

如果輸入比輸出高>3V的時候建議還是用傳統的DC-DC(開關模式轉換器)，因為高壓輸入低壓輸出模式的功率消耗比較低，所以轉換效能比較高，因為Ploss=(Vin-Vout)*Iload。

DC-DC的開關頻率會導致電源噪聲很大，所以PSRR會比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：

1) 調整管：這個晶體管的Analog特性要非常好，線性度，導通電阻，跨導特性，還有低漏電。

2) 誤差放大器：因為他要和參考電壓比較，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，以及靜態對地電流。

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

總結

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)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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