ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识

一、基本定义与功能

1.1定义

低压差稳压器(Low Drop-Out Regulator,LDO)是一种电压稳压器，属于电源管理类电路。

LDO只能降压不能升压。

1.2功能

在一定输入电压变化范围内和负载变化范围内保证稳定的输出电压，给需要精准稳定供电的其他芯片供电。

电压变化范围就引出 $V_{drop-out}$ 的定义：输入最小电压和稳定输出电压的压差。当输入电压大于芯片规定的该值，就可以使用这个芯片来输出。

二、基本结构与原理

2.1基本结构

1.分压取样电路
2.基准电压
3.误差放大电路
4.晶体管调整电路

2.2原理

图中调整管为PMOS管（负反馈）。

LDO工作原理就一句话：通过运放调节P-MOS的输出。

2.2.1过程分析1：从负载变化的角度

负载 $R_{L}$ 减小等导致的 $V_{OUT}$ 减小→负载上电流增加→经PMOS管流到 $R_{1}$ ， $R_{2}$ 的电流变小→ $R_{2}$ 两端电压下降→反馈电压 $V_{FB}$ 下降→误差放大器正相输入端降低→p管栅极电压变低（P管 $V_{S}$ 电压不变，进而使得 $\left | V_{GS} \right |$ 的压差增大）→ $I_{SD}$ 输出电流增加→ $I_{OUT}$ 输出电流增加；经PMOS管流到 $R_{1}$ ， $R_{2}$ 的电流重新变大（不再反馈）→ $V_{OUT}$ 变大，回到正常电位，完成一次反馈控制。

2.2.2过程分析2：从 $V_{REF}$ 变化的角度

当 $V_{REF}$ 变大→误差放大器负相输入端→误差放大器输出减小→p管栅极电压变低→p电阻减小→p管电流变大（负反馈）→ $R_{1}$ ， $R_{2}$ 上电流变大→ $R_{1}$ ， $R_{2}$ 电压上升→反馈电压 $V_{FB}$ 上升→误差放大器正相输入端增加→抵消误差放大器向下的趋势。

误差放大器给调整管的输入稳定之后，最关心的 $V_{OUT}$ 的变化，如下：

$V_{FB}=V_{OUT}*\beta$

$\left (V_{REF}-V_{FB} \right )*A=V_{OUT}$

得到 $V_{OUT}=\frac{A}{1+A\beta }V_{REF}$

其中开环增益A：指包含误差放大器和调整管整体的增益。

当A足够大时： $\frac{A}{1+A\beta }\approx \frac{A}{A\beta }\approx \frac{1}{\beta }$

故 $V_{OUT}=\frac{1}{\beta }V_{REF}=\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}V_{REF}$

在调整管和反馈网络正常工作时，输出电压由反馈网络和 $V_{REF}$ 决定，只要这两者稳定则输出电压稳定。

所以p管除了到反馈网络的另一条支路：p管电流变大（负反馈）→ $V_{OUT}$ 变大

达到 $V_{OUT}$ 随 $V_{REF}$ 变化而变化的目标。

2.2.3特别说明

（1）误差放大器

当 $V_{FB}$ 小于 $V_{REF}$ 时，G点的电位就会减小。

通俗点理解1，运算放大器总是倾向于使得正（+）负（-）输入端的电压相等，因此，运放就会减小输出。

通俗点理解2，回归 $V_{FB}$ 和 $V_{REF}$ 的本质， $V_{FB}$ 是反馈跟着 $V_{REF}$ 跑，G点的电位必须减小，才能使反馈 $V_{FB}$ 达到标准 $V_{REF}$ 。

（2）PMOS管

G电位下降后，为什么 $I_{OUT}$ 就上升呢？

这就涉及到PMOS工作状态，下图是PMOS的输出特性曲线，或者叫做伏安特性曲线，是PMOS本身的一个特性，根据G、D、S电压不同，MOS会工作在不同的区域，即可变电阻区，饱和区(恒流区)，截至区。

LDO中的MOS是工作在恒流区的。

顺着下图绿色箭头指示方向 $\left | V_{GS} \right |$ 逐渐上升， $I_{D}$ 跟着 $\left | V_{GS} \right |$ 上升而上升，而这段区域内不管 $V_{DS}$ 怎么变换 $I_{D}$ 基本不变。换句话说，恒流区内， $I_{D}$ 只受 $\left | V_{GS} \right |$ 控制，这就是PMOS LDO工作原理的核心部分。

三、主要参数

3.1输入输出压差 $V_{drop-out}$

（1）定义

正常工作时输入电压与输出电压之间的最小差值。

（2）公式

$V_{drop-out}=I_{OUT}R_{ON}$ ，其中 $R_{ON}$ 是PMOS管导通电阻。

3.2电源转换效率

（1）定义

输出功率与输入功率之比，最大理想值为 $\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}$ 。

（2）公式

$\eta =\frac{I_{OUT}V_{OUT}}{\left (I_{OUT}+I_{Q}\right )V_{IN}}*100\%$ ,

其中， $I_{Q}$ 是电路正常工作时的静态电流，详情见3.7。

可见当输出电压和输入电压相差很大(降压)时，效率就很低了。

3.3线性调整率

（1）定义

当输入电压变化时，输出电压维持在标称值上的能力。

（2）公式

$S_{V} =\frac{\frac{\Delta V_{OUT}}{V_{OUT-norm}}}{\Delta V_{IN}}*100\%$

3.4负载调整率

（1）定义

当输出电流变化时，输出电压维持在标称值上的能力。

（2）公式

$S_{I} =\frac{\frac{\Delta V_{OUT}}{V_{OUT-norm}}}{\Delta I_{OUT}}*100\%$

3.5电源抑制比PSRR

（1）定义

LDO的 PSRR数据是用来量化LDO对不同频率的输入电源纹波的抑制能力的，它反映了LDO不受噪声和电压波动、保持输出电压稳定的能力。在特定频段内，PSRR越大越好。

100K到1MHz内的PSRR非常重要，这个是DCDC的噪声频率范围，LDO经常作为DCDC的下一级，要有能力滤除来自DCDC的大量噪声。

在ADC，DAC，Camera的AVDD供电上，我们要选择PSRR大于80dB（@100Hz）的LDO。

LDO的环路控制往往是确定电源抑制性能的主要因素，同时大容量，低ESR的电容对电源一直也非常有用，建议选择陶瓷电容。

PSRR与频率有关，LDO的规格书一般会给出几个频点的PSRR值。

3.6噪声

（1）定义

不同于PSRR，噪声是指LDO自身产生的噪声信号，低噪声的LDO稳压芯片可以很好的降低LDO产生的额外噪声，输出的电压更纯净，噪声一般计算出的值是有效值(rms)，也可以用peak to peak来分析。

如下是某LDO的噪声水平，通常在uV级别。

LDO输出噪声的另一种表示方式是噪声频谱密度。只有高精度，低噪声电路上才需要关注这个参数。

3.7静态电流 $I_{Q}$

（1）定义

静态电流是外部负载电流为0时，LDO内部电路供电所需的电流。内部电路包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测电路。

这个电流经过从LDO的GND流出。

在一些电池供电低功耗场景下，要考虑LDO本身自身消耗的静态电流。休眠阶段的电源消耗成为影响电池寿命的关键因素。

要想最大限度地降低睡眠期间的功率消耗，需要选择具有极低静态电流的器件。

一般LDO芯片的静态电流的大小与芯片的其他性能成反关系，如低噪声，高电源电压抑制比，动态性能好的LDO静态电流都偏大一些。低 $I_{Q}$ 的LDO做的好的话＜100nA。

四、稳定性分析

这部分尽量理解即可，知识点比较深入，目前入门阶段不做要求。

4.1调节输出电容改善稳定性

系统中存在两个左半平面的极点和一个左半平面的零点，大小分别为：

$P_{1}=\frac{1}{2\pi R_{op}C_{o}}$ ， $P_{2}=\frac{1}{2\pi R_{oa}C_{par}}$ ， $Z_{1}= \frac{1}{2\pi R_{ESR}C_{o}}$

$P_{1}$ 在输出节点上，电容为输出电容 $C_{o}$ ，电阻是图中从 $R_{op}$ 看进去的电阻。

$P_{1}$ 在误差放大器的输出端上，电容 $C_{par}$ 为该电容连接在该点的集成电容，主要由两部分构成：
1误差放大器的输出端贡献一部分电容；2调整管栅极的电容。
电阻是图中从 $R_{oa}$ 看进去的电阻，也就是误差放大器的输出阻抗。

其中输出电容 $C_{o}$ 比较大，在微法量级，可以存储大量电压，作用是稳定输出电压。
所以 $P_{1}$ 这个值非常的小，为主极点。

$P_{2}$ 为次极点，频率高一点，但是也不是太多，因为 $R_{oa}$ 比较大（增益主要由误差放大器贡献，所以其输出阻抗非常的大），其次调整管为功率管，过大电流大电压，宽长比比较大， $C_{par}$ 也比较大。虽然 $P_{2}$ 为次极点但是频率也是比较低的。

$Z_{1}$ 为零点，主要由于输出电容（也叫外接分立电容）上有等效串联电阻 $R_{ESR }$ ，其中 $C_{o}$ 虽大， $R_{ESR }$ 很小，总体来说 $Z_{1}$ 的位置和电容的选择有关。

（1） $R_{ESR }$ 偏大

$Z_{1}$ 比较小，处在 $P_{1}$ 和 $P_{2}$ 之间，由于零点的存在，会降低幅度衰减的速度，将GBM推远，当GBW超过 $P_{2}$ ，显然系统很难稳定。

（2） $R_{ESR }$ 偏小

$Z_{1}$ 比较大，将 $Z_{1}$ 推远，意味着 $Z_{1}$ 对系统稳定性的影响很微弱，可以不考虑 $Z_{1}$ 。 $P_{1}$ 和 $P_{2}$ 离得比较近，GBW介于 $P_{1}$ 和 $P_{2}$ 之间，不会有很好的相位裕度，也很难稳定。

（3） $R_{ESR }$ 适中

使得 $Z_{1}$ 和 $P_{2}$ 几乎重合，这样用零点抵消次级点，只剩下 $P_{1}$ ，变成单极点系统，稳定性好。

这种方式不推荐，对电容的选择太苛刻。

4.2使用缓冲器改善稳定性

五、DCDC与LDO的区别

DC-DC	LDO
外围器件多，电路复杂，成本高	外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容
负载响应比LDO慢，输出纹波大	负载响应快，输出纹波小
效率高，输入电压范围宽泛	效率低，输入输出压差不能太大
支持降压和升压	只能降压
输出电流高，功率大	输出电流有限，最高可能就几A，且达到最高输出和输入输出电压都有关系
静态电流都小，根据具体的芯片来看
开关噪声大，为了提高开关DC-DC的精度，很多应用会在DC-DC后端接LDO	噪声小
一般都是可调型，通过FB反馈电阻调节	分为可调和固定型

六、应用电路

6.1AC-DC电路

最常见的AC-DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。

在该电路中，LDO的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。

6.2蓄电池电路

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化，为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入LDO。

LDO的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命，同时，由于LDO的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。

6.3 开关性稳压电源电路

开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

在开关性稳压器输出端接入LDO，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

6.4 共电池电路

在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。

为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望LDO工作于睡眠状态，为此，要求线性稳压器具有使能控制端。

有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统。

6.5 附加功能

通/断控制功能，允许使用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出，使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。
输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。
故障标记输出功能,当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时，LDO能输出故障标记信号，微处理器在接收到此信号后，可及时完成数据存储等项工作。
瞬变电压保护功能，将LDO用于汽车电子设备时，需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护，一旦输出端出现瞬变电压，立即将输出关断，等瞬变电压过去之后，又迅速恢复正常工作。
跟踪能力某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力，其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化，并及时调整自己的输出电压值，以减小各路输出之间的相对变化量。
排序，所谓排序，就是在多个稳压电源构成的电源系统中，使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。

6.6LDO在STM32中的应用（H冠名）

在STM32中，某个GPIO口（12位）用于接受LDO输出的电压，REF用于设置基准电压。

当LDO输出的电压（模电信号）传入该GPIO口时，该GPIO口根据代码变换12位（0和1）的数值来转换成数电信号进行下一步的利用，如下：

LDO输出	GPIO口
3.3v（max）	$2^{12}=4096$ （12位均是1）
0v（min）	0（12位均是0）

中间的电压值可以调节成12位中某几位变化，后续可以根据该GPIO口的值来变化。

基准电压REF可以用STM32写入数据来调节。

七、选取原则

电压类型：确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。正电压的器件较多，负电压的器件可以考虑LM2991（较多大公司使用）。

输入电压：稳压器输入端可以输入的电压范围（注意输入电压需要降额80％考虑）。

输出电压：稳压器输出端的输出电压值，不要选有ADJ（ADJ可调电压引脚）功能的，这样节省器件，降低干扰。

输出电流：稳压器输出端的最大输出电流值（至少留25%裕量）。

压差：确定压差是否合适，一定要查看规格书上，对应最大电流的最小压差要求。

封装：单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求。

线性调整率：稳压器输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。

负载调整率：是指在给定负载变化下的输出电压的变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。

电源纹波抑制比(PSRR)：表示稳压器抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力。线性调整率只有在直流电时才需要考虑，但是电源抑制比必须在宽频率范围上考虑。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的参量，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小。如果用在低噪声场合，一定要选择高PSRR（80dB以上）的LDO，建议在80dB以上。

瞬态响应：表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化，它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力，也起到了高频旁路的作用。

静态电流(Iq)：又叫接地电流，是通路元件的偏流和驱动电流的组合，通常保持尽可能低的水平。静态电流越大，稳压器的效率越低。如果是电池供电，对续航要求很高，一定要选择Iq低的LDO。

最大耗散功率：为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏，LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率，否则可能损坏LDO芯片。

输出电容以及ESR值：

输出电容是连接到LDO的输出端的电容。它的主要作用是在负载变化时提供额外的电荷以保持输出电压稳定。因此，输出电容越大，LDO对于负载变化的响应越好，输出电压的波动也越小。通常，1uF以上的输出电容是普遍要求的，但具体要求可能因供应商而异。
ESR是电容器内部的电阻，主要由电解质和电极的电阻组成。在LDO选型中，ESR的值非常重要，因为它影响了电容器的性能。对于LDO来说，ESR越低越好，因为较低的ESR意味着更好的负载响应和更好的稳定性。然而，ESR也不能太低，因为过低的ESR可能会导致LDO不稳定。

如果器件对输出电容以及ESR有特殊要求，考虑公司现有器件是否满足要求（几乎每一家的LDO， $C_{IN }$ 和 $C_{OUT}$ 都要求1uF以上，ESR越低越好，最好小于100mΩ，但也不能太小，低于几个mΩ也可能使LDO工作不稳定）。

本文参考：电子电路学习笔记（14）——LDO(低压差线性稳压器)

今天的文章ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识

一、基本定义与功能

1.1定义

1.2功能

二、基本结构与原理

2.1基本结构

2.2原理

2.2.1过程分析1：从负载变化的角度

2.2.2过程分析2：从<img decoding="async" src="https://latex.csdn.net/eq" alt="V_{REF}" title="ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识插图12" />变化的角度

2.2.3特别说明

三、主要参数

3.1输入输出压差<img decoding="async" src="https://latex.csdn.net/eq" alt="V_{drop-out}" title="ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识插图1" />

3.2电源转换效率

3.3线性调整率

3.4负载调整率

3.5电源抑制比PSRR

3.6噪声

3.7静态电流<img decoding="async" src="https://latex.csdn.net/eq" alt="I_{Q}" title="ldo主要由电路模块组成_电路设计基础知识插图25" />

四、稳定性分析

4.1调节输出电容改善稳定性

4.2使用缓冲器改善稳定性

五、DCDC与LDO的区别

六、应用电路

6.1AC-DC电路

6.2蓄电池电路

6.3 开关性稳压电源电路

6.4 共电池电路

6.5 附加功能

6.6LDO在STM32中的应用（H冠名）

七、选取原则

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2.2.2过程分析2：从 $V_{REF}$ 变化的角度

3.1输入输出压差 $V_{drop-out}$

3.7静态电流 $I_{Q}$