一、 LDO結(jié)構(gòu)和工作原理

LDO:全稱是(Low Dropout Regulator)低壓差線性穩(wěn)壓器。其中核心部件是工作在線性區(qū)域的調(diào)整管。如下圖中的VT（MOS管），LDO由VT、放大器、反饋電阻等部分組成。

如上圖所示，通過R1和R2電阻對(duì)Vout輸出電壓進(jìn)行分壓采樣，然后和LDO內(nèi)部的參考電壓Vref進(jìn)行比較，差值經(jīng)過放大器，放大后控制驅(qū)動(dòng)VT。當(dāng)Vout減小時(shí)，電阻分壓采樣值和Vref的差值變大，放大器的輸出電壓變大，使VT壓降變小。當(dāng)Vout增加時(shí)，電阻分壓采樣值和Vref的差值變小，放大器的輸出電壓變小，使VT壓降變大。通過上述，使Vout穩(wěn)定維持在設(shè)定值。

LDO可以通過調(diào)節(jié)R1和R2電阻值，來實(shí)現(xiàn)對(duì)Vout值的設(shè)定。當(dāng)前市面上的LDO根據(jù)輸出電壓是否可調(diào)分為兩種。輸出電壓不可調(diào)的，通常是將R1和R2電阻集成在內(nèi)部。輸出電壓可調(diào)的，通常引出Vref（Adj）腳，通過外部反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

LDO的工作原理。從本質(zhì)上來說是基于反饋的原理。負(fù)載變化，輸入電壓的變化等因素對(duì)Vout的影響都會(huì)通過反饋電路輸入到放大器的輸入端，并通過放大器的輸出，將Vout調(diào)整成設(shè)定值。

二、 LDO的特性參數(shù)

1、 輸入電壓

基于制造工藝的差異，所有器件的輸入電壓都有一個(gè)范圍，不同的LDO的輸入電壓范圍差異很大，比如貝嶺公司的BL1117最大輸入電壓為12V。而長(zhǎng)電的CJ78L05最大輸入電壓為30V。在設(shè)計(jì)的時(shí)候根據(jù)自己實(shí)際使用場(chǎng)景進(jìn)行選型即可。

2、 輸出電壓

輸出電壓是LDO重要的參數(shù)之一。上文提到過，當(dāng)前市面上的LDO根據(jù)輸出電壓是否可調(diào)分為兩種，兩者的優(yōu)劣勢(shì)如下：

固定輸出電壓的LDO，優(yōu)勢(shì)在于不要外部反饋電阻，輸出電壓精準(zhǔn)。缺點(diǎn)是可以選擇的輸出電壓種類少。對(duì)于固定輸出的LDO，其精度可以從規(guī)格書上直接獲取。

可調(diào)輸出電壓的LDO，優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)規(guī)格書上提供的Vref參考電壓，調(diào)節(jié)出自己想要的電壓。對(duì)于一些特殊場(chǎng)景的電壓使用需求非常友好。劣勢(shì)在于需要額外增加電阻，因?yàn)殡娮璐嬖诰炔町?#xff0c;Vref也存在精度差異，兩者配合使用，往往導(dǎo)致可調(diào)電壓的LDO精度較差。在設(shè)計(jì)的時(shí)候如想獲得較高的精度建議選擇固定輸出電壓的LDO

當(dāng)然在某些場(chǎng)合，可調(diào)電壓的LDO有很好的設(shè)計(jì)靈活性。如設(shè)計(jì)需求要求輸出1.8V時(shí)，但當(dāng)LDO器件與耗電器件距離比較遠(yuǎn)，需要考慮PCB走線上的壓降，通常需要輸出電壓高于1.8V。這時(shí)就可以靈活的將LDO輸出電壓調(diào)節(jié)高于1.8V，從而抵消PCB走線壓降帶來的影響。

下圖是BL1117關(guān)于輸出電壓的規(guī)格參數(shù)，BL1117根據(jù)后綴區(qū)分不同類型的輸出電壓，既有固定輸出電壓的LDO，也有可調(diào)輸出電壓的LDO，它們的規(guī)格書是集成在一起的。

3、 輸出電流

輸出電流決定了LDO的器件成本和封裝體積，封裝體積越大，往往輸出電流較大。與DCDC不同，LDO輸出電流較DCDC往往偏小。

值得注意的是，輸出電流，不是LDO選型的關(guān)鍵因素，LDO的選型往往和功耗和溫度有很大關(guān)系，下文會(huì)詳細(xì)介紹。

4、 輸入輸出電壓差

壓差Dropout是LDO選型時(shí)重要參數(shù)，器件資料中，壓差參數(shù)往往是以輸出電流為條件定義的，輸出電流越大，壓差越大。不同LDO的Dropout參數(shù)差別很大，一般而言，當(dāng)LDO內(nèi)部的調(diào)整管選用MOS管時(shí)，往往能獲得較小的輸入輸出壓差。

這個(gè)地方說明一下，器件手冊(cè)上的輸入輸出壓差指的是，滿足Vout輸出電壓要求，Vin的最小輸入電壓等于Vout輸出加上壓差（VINmin=Vout+Vdrop）。以BL1117 LDO為例，比如LDO設(shè)計(jì)輸出電壓是3.3V@1A那么Vin最小要大于4.8V（3.3V+1.5V=4.8V）。

如下是BL1117在不同輸出電流情況下的壓差和最大的輸出電流，供參考。

5、 功耗

LDO最主要的缺點(diǎn)是功耗偏大。

對(duì)于LDO而言，輸入輸出間的壓差不可以避免，且這種壓差全部轉(zhuǎn)換成熱能。比如LDO的Vin=5V，Vout=3.3V，工作電流I=1A，那么在LDO上產(chǎn)生的功耗P=（Vin-Vout）*I，即P=（5-3.3）*1=1.7W。
這個(gè)功耗甚至超過了輸出20A的DCDC電路所產(chǎn)生的功耗。所以在LDO電路設(shè)計(jì)中，雖然輸出電流不大，但是不能忽略散熱問題。為了提高散熱功能，很多LDO都提供專門的散熱焊盤，該焊盤位于器件的腹部，來提高散熱的能力。

注意散熱焊盤需要多打地孔與PCB板子的GND連接到一起，通過整體PCB的GND進(jìn)行散熱。

6、 線性調(diào)整率

線性調(diào)整率（Line Regulation）是指，在某種負(fù)載電流的條件下，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出電壓的變化量。LDO手冊(cè)上線性調(diào)整率參數(shù)，往往是以確認(rèn)的負(fù)載電流以及確認(rèn)的電壓輸入變化量作為條件。線性調(diào)整率越小，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響越小，LDO的性能越優(yōu)異。
如下是BL1117 LDO的線性調(diào)整率

7、 負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率（Load Rehulation）是指，在某種輸入電壓的測(cè)試條件下，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出電壓的變化量。LDO手冊(cè)上負(fù)載調(diào)整率參數(shù)，往往是以確認(rèn)的輸入輸出電壓以及確認(rèn)的負(fù)載電流變化量作為條件。
負(fù)載調(diào)整率越小，負(fù)載電流變化對(duì)輸出電壓的影響越小，LDO的性能越優(yōu)異。在負(fù)載變化較大的應(yīng)用中，負(fù)載調(diào)整率時(shí)LDO選型的重要參數(shù)。
如下是BL1117 LDO的負(fù)載調(diào)整率

8、 靜態(tài)電流

靜態(tài)電流是指除了輸出電流以外，在LDO器件內(nèi)部所消耗的電流。通常負(fù)載電流越大，靜態(tài)電流越大。

9、 溫度

對(duì)于集成電路器件來說，資料上通常會(huì)給出幾個(gè)溫度，下面我們分別說一下幾個(gè)溫度
Ambient Temperature(Ta)：環(huán)境溫度，指器件工作時(shí)候允許的環(huán)境溫度，用Ta表示。
Storage Temperature(Ts)：儲(chǔ)存溫度，指器件存放時(shí)候允許的環(huán)境溫度，用Ts表示。
Operating Junction Temperature(Tj)：節(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）溫度，指器件內(nèi)部PN節(jié)的溫度，用Tj表示。
Thermal Resistance（θjc）：指器件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）（PN節(jié)）到器件外殼的熱阻參數(shù)，用θjc來表示。
Thermal Resistance Junction-to-Ambient（θja）：指器件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）（PN節(jié)）到環(huán)境的熱阻參數(shù)，用θja來表示。

如下是結(jié)溫環(huán)溫的熱阻的定義

如下是BL1117關(guān)于溫度的相關(guān)參數(shù)，封裝的不同，熱阻參數(shù)也是不同。


通過上述參數(shù)，基于熱阻參數(shù)θja、最大功耗Pmax、環(huán)境溫度Ta、可以計(jì)算出器件工作時(shí)的結(jié)溫：Tj=Ta+Pmax*θja。

同理通過上述方法可以計(jì)算出最大功耗和最大的電流。比如使用BL1117-1.8V(SOT-223)進(jìn)行5V->1.8V,LDO工作的環(huán)境溫度為65℃，Pmax=(Tj-Ta)/θja=(125-65)/136=441.2mW,則最大電流Imax=441.2mW/(5-1.8)=137.8mA

在LDO電源設(shè)計(jì)中，溫度是重要的參數(shù)，在選型中，同一型號(hào)的器件，往往有商規(guī)和工規(guī)兩種可供選擇，區(qū)別在于工作溫度范圍不同。

對(duì)于器件工作溫度范圍的定義，不同廠商定義方式不同，有的使用結(jié)溫（Tj）來進(jìn)行定義，有的使用環(huán)境溫度來定義，也有同時(shí)存在的，如同時(shí)存在，建議按照結(jié)溫（Tj）進(jìn)行計(jì)算，在閱讀規(guī)格書的時(shí)候，需仔細(xì)分清楚。

在設(shè)計(jì)的需要注意，θja取決于器件封裝，散熱方式等因素，而散熱方式又取決于單板的熱設(shè)計(jì)，因此很多廠商會(huì)給出θjc的參數(shù)，而器件外殼到環(huán)境的熱阻參數(shù)θca由散熱方式?jīng)Q定，通過這種方式計(jì)算的結(jié)溫往往更準(zhǔn)。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候，其核心訴求往往是最大輸出電流，通過上述的方式的計(jì)算結(jié)溫的公式，其實(shí)能看出，修改LDO上的壓降也可以做到增大輸出電流，降低結(jié)溫的目的。降低LDO壓降方法1）修改輸入Vin電壓，2）在輸入上串入二極管，通過二極管的壓降，降低Vin將熱量轉(zhuǎn)移到二極管上。

三、 LDO的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、 分壓電阻選擇

在可調(diào)輸出的LDO中，分壓電阻決定了輸出電壓值，在設(shè)計(jì)中需要注意，分壓電阻越小，電阻功耗則越大，而分壓電阻太大，又不能滿足LDO偏置電流的要求。

通常器件手冊(cè)中會(huì)給出分壓電阻的建議值。大家按照建議值設(shè)計(jì)即可，如需要設(shè)置特殊輸出電壓，在手冊(cè)中找到相近的電壓設(shè)置電阻，使用相同量級(jí)的電阻即可。

實(shí)際的反饋電阻選型其實(shí)是由最小負(fù)載電流決定的，以BL1117 LDO為例，Imin最大是10mA，為了滿足最小負(fù)載電流(>10mA)的要求，R1建議為125ohm或更低。由于BL1117-ADJ能在2mA左右的負(fù)載電流下保持自身穩(wěn)定，R1不允許高于625ohm。

2、 Vref濾波

根據(jù)LDO的工作原理可知，Vref（Vadj）（基準(zhǔn)電壓）的穩(wěn)定性與LDO輸出的紋波和噪聲密切相關(guān)。

為了減少器件的面積，很多LDO中不提供對(duì)Vref（Vadj）pin的濾波電容。在這種情況下通常在Vref（Vadj）引腳附近添加對(duì)地10uf電容，以保證Vref低噪聲和低紋波。

濾波電容的選型原則，以BL1117-ADJ為例，電容的阻抗在紋波的頻率范圍內(nèi)小于R1反饋電阻值，這樣可以防止紋波被放大，由于R1通常在100Ω~500Ω的范圍內(nèi)，Cadj的阻抗應(yīng)滿足如下公式:1/(2πf*Cadj)<R1。其中的f的頻率是紋波的頻率

3、 壓降

壓降（Dropout）參數(shù)上文有描述，但在設(shè)計(jì)中還是要預(yù)留裕量，壓降參數(shù)和兩個(gè)因素有關(guān)系：負(fù)載電流、工作溫度。負(fù)載電流越大，工作溫度越高，壓降越大。

下圖是BL1117-Adj輸出電流和壓降（Dropout）的關(guān)系圖

4、 電流降額

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)很多支持較大電流的LDO芯片。但是無論LDO技術(shù)如何更新，其功耗始終是壓差（Dropout）與輸出電流的乘積，電流越大，功耗必然越大。所以在實(shí)際的使用的過程中需要注意熱設(shè)計(jì)，LDO的周圍盡量不要放置其他發(fā)熱器件。

如上文提到，輸出電流決定了功耗，功耗又影響結(jié)溫，所以在設(shè)計(jì)時(shí)候，進(jìn)行LDO選型需要留有一定的裕量。

5、 紋波抑制比

紋波抑制比（PSRR），反映了LDO對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力，也有手冊(cè)上把它稱作SVR（如BL1117上稱為SVR。LM1117上稱為PSRR），其實(shí)是一個(gè)意思，通常器件手冊(cè)上會(huì)提供紋波抑制的數(shù)據(jù)，并給出測(cè)試條件。

計(jì)算公式如下

其中Ripple_in為輸入電壓紋波的峰值電壓，Ripple_out為輸出電壓紋波的峰值電壓。以BL1117為例，通過LDO可以將輸入紋波衰減1000倍。

注意：PSRR有效作用頻率在100KHz以內(nèi)，高頻段能濾波能力減弱。如下圖示意。

6、 效率計(jì)算

LDO的輸入功率Pin除以輸出功率Pout稱作效率（靜態(tài)電流較小，通常忽略）。即η=Pin/Pout,因?yàn)長(zhǎng)DO的輸入輸出電流一致，所以LDO的效率其實(shí)就是輸入輸出的電壓比。想要提供效率，盡量在滿足壓差（Dropout）條件下，降低輸入電壓。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【科普贴】LDO电源详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。