LDO基础

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低压差（LDO）稳压器介绍

1-1.稳压器IC类型

稳压器IC大致分为将直流电压转换为所需直流电压的IC，以及将交流电压转换为所需直流电压的IC。用于DC-DC转换的稳压器IC进一步分为线性稳压器和开关稳压器，也称DC-DC转换器。线性稳压器有两种基本形式：串联稳压器和并联稳压器。低压差 (LDO) 稳压器是一种串联稳压器。

1-2.线性稳压器和开关稳压器的优缺点

    如下所示，线性稳压器和开关稳压器有各自的优缺点。

1-3.什么是LDO稳压器?

LDO稳压器是一种半导体稳压器，在所需输出电压不同于输入电压时使用。例如，假设输入电压为5V，所需输出电压为3V。这种情况下，LDO稳压器是简单经济的电源稳压解决方案。输入输出电压差小的稳压器称为LDO稳压器。LDO代表低压差；LDO稳压器是一种输入输出电压低压差的线性稳压器。本文说明为什么电子设备需要LDO稳压器才能稳定运行并提供简要描述。

1-4.电子系统LDO稳压器的要求

传统上，电源电路或稳压器IC（如PMICs*1）通常用在电路板上为每块电路或IC提供所需电压。然后，电源电路和稳压器IC为每个电路供电。不过，电路板长布线产生的电阻会造成显著压降，而电路板平行布线之间的串扰往往会影响噪声敏感器件的工作。为解决这些问题，通常采用负载点（POL）稳压器IC在局部形成每块电路或IC所需的电压。(*1电源管理IC：一种用于管理系统中多条电源线的稳压器IC)

目前，为提高电子设备性能、缩小尺寸并增强通用性，电路越来越复杂且节能。这种情况下，电路和IC开始采用低电压工作。此外，传感器和高精度模拟电路需要低噪声电路设计

1-5.什么是线性稳压器？

    线性稳压器是一种稳压器IC，随着输入电压或输出电流的变化起可变电阻的作用，以保持输出电压稳定不变。线性稳压器有两种：串联稳压器和并联稳压器。顾名思义，串联稳压器串联在电源和负载之间，而并联稳压器则并联在电源和负载之间。

1-6.线性稳压器和开关稳压器功能

    线性稳压器切断过电压，保持输出电压不变。相反，开关稳压器控制导通／断开时间，保持输入电压平均值稳定，从而调节输出电压。

1-7.串联稳压器工作原理

    串联稳压器位于电源和负载之间，根据输入电压或输出电流的变化调整可变电阻的阻值，保持输出电压稳定。

    串联稳压器IC使用MOSFET或双极结型晶体管等有源器件取代可变电阻。

1-8.串联稳压器电路配置

串联稳压器基本由以下四个部分组成：

输出晶体管输出晶体管串联在串联稳压器输入输出引脚之间。随着输入电压或输出电流的变化，误差放大器信号控制其栅极电压或基极电流。因此，输出晶体管起可变电阻的作用，保持输出电压稳定。

参考电压源这是误差放大器的参考电压源。误差放大器根据这个参考电压控制输出晶体管的栅极或基极，保持输出电压稳定。

反馈电阻反馈电阻对输出电压进行分压并产生反馈电压。误差放大器比较反馈电压与参考电压，控制输出电压。两个反馈电阻串联在VOUT和GND引脚之间。电阻之间的中点电压施加到误差放大器。

误差放大器误差放大器比较反馈电压（即两个反馈电阻的中点电压）与参考电压。当反馈电压低于参考电压时，误差放大器提高MOSFET驱动力，降低漏源电压，从而增加输出电压。当反馈电压高于参考电压时，误差放大器降低MOSFET驱动力，增加漏源电压，从而降低输出电压。

1-9.三端稳压器与LDO稳压器的区别

    典型三端稳压器（也称标准稳压器）的输出晶体管使用NPN型晶体管或N沟道MOSFET。这类稳压器工作需要输入输出电压差，称为压差（V(DO)），如下图所示。NPN型稳压器，V(DO)最小值必须满足V(IN)－V(OUT＞)R(IN)×I(IN)＋2×V(BE)。

    采用MOSFET的稳压器，V(DO) 的最小值必须满足V(IN)－V(OUT)＞ R(IN)×I(IN)＋V(GS)。假设R(IN)＝1kΩ, I(IN)＝1mA，V(BE)＝0.7V，V(GS)＝1V。那么，经计算生成5V输出电压所需最小输入电压，NPN型稳压器为7.4V，基于MOSFET的稳压器为7V。

    与这些稳压器不同，LDO稳压器主要使用PNP晶体管或P沟道MOSFET作为输出晶体管。这种LDO稳压器的最小压差由集电极-发射极电压（V(CE(sat))）和漏源电压（V(DS)＝R(DS(ON))×I(D)）决定。因此，LDO稳压器的工作压差小于三端稳压器。

    还有一种新型LDO稳压器压差更小。它使用导通电阻小于P沟道MOSFET的N沟道MOSFET作为输出晶体管，配有专门用于控制电路（包括MOSFET驱动电路）的电源引脚。

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 LDO的便捷功能

2-1.LDO稳压器实用功能

    包含多种功能，有助于保证系统稳定运行。

2-2.LDO稳压器过流保护操作

    当V(OUT)一侧的负载与GND之间短路或发生其他系统故障时，此功能限制LDO稳压器输出电流，以保护其自身及使用稳压器的系统。东芝LDO稳压器过流保护功能称为折返（foldback）。当电流过大高于内部阈值时，折返会随着输出电压（V(OUT)）的下降减小输出电流（I(OUT)）。即使输出电压降到0V，输出电流仍保持内部设定电平。“折返”一词源自I(OUT)-vs-V(OUT)曲线的形状，该曲线在保护过程中折返，如下图所示。当导致过流状况的故障条件消失后，LDO稳压器自动从过流保护状态恢复，输出电压恢复到正常水平。

2-3.LDO稳压器热关断（TSD）操作

    如果环境温度过高导致功耗过大或结温超过阈值，热关断（TSD）功能将关闭LDO稳压器，以保护其自身及使用稳压器的系统。LDO稳压器具有热关断温度和恢复温度。热关断温度指结温升高，触发TSD关闭LDO稳压器的温度。LDO稳压器关闭后，不消耗任何功率；因此结温开始下降。当结温达到恢复温度时，LDO稳压器自动重新导通，为后面的IC和电路提供稳定电压。恢复温度指TSD强制关闭后，LDO稳压器重新导通的温度。LDO稳压器数据表中，关断温度与恢复温度之差称为热关断滞后。一旦热关断被触发，必须消除原因才能将CONTROL引脚置于低电平。如果CONTROL引脚保持高电平，结温会再次升高。这会导致LDO稳压器进入以下环路：LDO稳压器关断→结温降低→LDO稳压器导通→结温升高。LDO稳压器不应长时间处于过高温度，因为这样会影响系统稳定性或降低LDO稳压器的可靠性。一定为要为系统提供热关断情况下的故障保护机制。

2-4.LDO稳压器浪涌电流抑制功能

    当输入电压从0V上升至最小工作电压时，LDO稳压器导通提供稳定输出电压。此时，内部误差放大器以最大驱动力驱动V(IN) 和V(OUT)引脚之间的输出晶体管，将输出电压提高到设定水平。输出电压达到设定水平后，LDO稳压器将保持在该电平。然而，内部电路延迟等情况会导致输出电压过冲，超过负载IC或电路额定电压。此外，大浪涌电流进入LDO稳压器，会给连接V(OUT) 引脚的输出平滑电容器充电。从LDO稳压器导通到输出电压达到稳定状态，这个过程会产生浪涌电流。如果V(IN) 引脚连接的电路板布线阻抗大，输入电压会由于电路板布线阻抗因浪涌电流产生的压降而下降。因此，LDO稳压器无法产生正常水平的输出电压。浪涌电流限制功能可以防止这种情况。LDO稳压器导通后，缓慢提升输出电流，同时限制浪涌电流，从而抑制输出电压过冲和输入电压下降。因此，浪涌电流限制有助于提高系统稳定性。浪涌电流限制也称斜率控制或软启动。

2-5.LDO稳压器自动放电功能

    电子系统由多个IC和电路组成。为使系统正常工作，必须设置电源顺序，即所含IC和电路的上电顺序。为了平滑输出电压，LDO稳压器V(OUT) 引脚连接较大电容器。LDO稳压器关断后，平滑电容器保持一段时间充电状态，具体取决于后续IC或电路的供电电流。因此，电源顺序很难设置。LDO稳压器关断时，自动放电功能通过连接在V(OUT)和GND引脚之间的内部N沟道MOSFET为平滑电容快速放电，从而简化电源排序。

2-6.LDO稳压器欠压锁定（UVLO）功能

    IC或电路供电电压下降会造成系统运行不稳。为保证系统稳定性，当输入电压降至内部阈值以下时，LDO稳压器欠压锁定（UVLO）功能关闭输出。UVLO有滞后现象。加高电平控制（CONTROL）电压的情况下，当输入电压回升到恢复阈值以上时，输出自动重启。

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LDO稳压器数据表使用的术语表

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 LDO效率和功率损耗计算

4-1.LDO稳压器效率

LDO稳压器效率计算公式如下：

输入功率（P(IN)）和输出功率（P(OUT)）可分别使用公式2和公式3计算：

当LDO稳压器静态电流（I(B)）小于输入电流（I(IN)）可以忽略不计时，公式2可近似如下：

将公式3和4代入公式1，得到：

对于串联稳压器，I(IN)＝I(OUT).于是，

LDO稳压器效率可按输入电压（V(IN))）与输出电压（V(OUT)）比来计算。因此，LDO稳压器可用于构成高效电源，取决于输入和输出电压条件。

4-2.LDO稳压器功耗和结温计算

LDO稳压器功耗（P）计算公式如下：

当V(IN)×I(B)小到可以忽略不计时，公式1可以近似为：

LDO稳压器结温T(j)计算公式如下：

其中Rth(j-a)是LDO稳压器安装在电路板上时的热阻。如果数据表中未显示Rth(j-a)，则可以根据功耗（PD）值计算：

将公式4代入公式3，可以得到：

假设T(j(最大值))＝150°C，P(D) = 600mW，V(IN)＝3.6V，V(OUT)＝1.8V，I(OUT)＝100mA，T(a)＝40°C。则T(j)的计算方法如下：

请注意，数据表中的功耗和热阻值是指定电路板条件下的值。因此，有必要仔细评估LDO稳压器，以确保它们在实际使用条件下正常工作。

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使用的注意事项

    本节说明系统设计使用LDO稳压器的注意事项。

    LDO稳压器反向偏置条件（即输出电压高于输入电压）如果LDO稳压器输出电压高于输入电压，则电流从输出引脚反向流向输入引脚。这种反向偏置情况会影响或损坏LDO稳压器。如果可能出现这种情况，请在V(IN) 和V(OUT)引脚之间连接旁路二极管，如图1所示，或在电源和V(IN)引脚之间加反向电流阻断二极管，如图2所示。

    使用反向电流阻断二极管时，应注意二极管正向电压（V(F)）产生的压降，以确保LDO稳压器在输入电压范围内正常工作。应选择具有正向电压（V(F)）和漏电流（I(R)）较低的二极管，同时考虑反向偏置电压（V(R)）和正向电流（I(F)）的降额。

    使用陶瓷电容器平滑输出电压

    陶瓷电容器是LDO稳压器的理想选择，因为小型陶瓷电容器可与大型电容器和小型等效串联电阻（ESR）结合使用。不过，陶瓷电容器的容值取决于电压和温度，如下所示。特别是，输出电容的容值会极大地影响LDO稳压器负反馈运行。一定要考虑电压和温度进行系统全面评估