线性调压器与LDO拓扑

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1. 线性调压器

1. 线性电压调节器（英语：Linear regulator），又称线性稳压器、线性调节器，是一种元件，作用是保持电压稳定。稳压器的电阻会因应负载及输入电压的变化，以达至输出电压稳定不变。

因工作时输入与输出的关系呈线型，故被称为"线性稳压器"。

因输入与输出间串联有控制元件，有时也被称为"串联稳压器"。

其线性稳压器电路功能框图如下：

 

 

由上框图可以看出：线性调压器通过控制元件降压，因此输入与输出的电压差（降压程度）越大损耗就越大，效率也越低。

 

因此线性调压器一般适用于小功率的电源。

 

线性稳压器的工作原理是：采用一个压控电流源以强制在稳压器输出端上产生一个固定电压。控制电路连续监视（检测）输出电压，并调节电流源（根据负载的需求）以把输出电压保持在期望的数值。

电流源的设计极限限定了稳压器在仍然保持电压调节作用的情况下所能供应的最大负载电流。

输出电压采用一个反馈环路进行控制，其需要某种类型的补偿以确保环路稳定性。大多数线性稳压器都具有内置补偿功能电路，无需外部组件就能保持完全稳定。

 

2. LDO是Low Dropout的缩写，是即使较低的输入输出间电位差也可进行工作的线性稳压器。有时也称为低损耗型线性稳压器或低饱和型线性稳压器。

关于LDO的输入输出间电位差并无数值性的定义，一般是指稳压器稳定工作时最低电位差可控制在1V以下的稳压器。

例如，对于需要3.3V电源的IC，由于标准型不可制作5V到3.3V电源，因此，需要输入输出间电位差较低的LDO。

这样，LDO在输出与标准型稳压器相同的电压时，也可设定较低的输入电压。

通过低电位差工作，可使能量损耗较少，可进行抑制散热等设计。

 

 

3. 基本原理介绍

线性稳压器与LDO的内部框图

 

根据内部框图的输入输出计算如下：

 

 

 

4. 线性稳压器操作

如下图，电压反馈负责对输出进行采样，R1 和 R2 可以内置或外置，

反馈用于控制传输晶体管至负载的电流。

 

 

               

 

5. 线性稳压器的基本拓扑

 

 

          

 

6. 线性稳压器的分类

1. NPN 型的稳压器

NPN 型的LDO简单模型

 

 

从上图可是看到经过输出采样之后，通过一个小型号NPN 三极管来控制一个PNP 型的前级晶体管，这个前级的晶体管是通过集电极的电流来控制功率NPN 晶体管。

 

 

NPN 型的稳压器具有下列特性：

l 要求输入电压至少比输出电压高 0.9V 至 1.5V；

l 接地引脚电流大于 NPN-达林顿管，但小于 PNP-LDO 稳压器；

l 需要一个输出电容器，但一般不像 PNP-LDO 那样具有特殊的 ESR 要求。

2. PNP LDO的稳压器

PNP LDO 稳压器中的功率损失的简单模型

 

上图是一个用详细的电流信号和电流路径来标注NPN 型的LDO 中的损耗是怎样产生的。

 

 

PNP LDO 具有下列特性：

l 要求输入电压至少比输出电压高100mV 至 700mV；

l 具有高于 NPN 型 LDO 的接地引脚电流；

l     需要谨慎地选择输出电容器数值和 ESR 额定值。

3. 准LDO稳压器

 

 

4. 稳压器工作原理

 

 

 

 

 

 

7. 线性调压器的优缺点如下表：

优点	缺点
电路简单	效率低
外接部件少	发热大
噪音小	仅降压型转换器

 

8. 78xx：一种常见的线性调节器类型。

  线性稳压器必须在输入电压高于输出不少于某电压值时输出才能稳定至目标电压，这个最少的电压称为压降电压、下压降、电压差(dropout)。例如常用的7805，作用是把输出保持在5V，但输入必须保持在7V以上，否则输出就会低于目标电压5V以下，故其压降电压就是7V-5V=2V。由于须有压差的存在，线性稳压器效率大都很低：因为其原理就是要将多于稳定电压下负载所需的能量，在晶体管内以散发热能的形式消耗掉。而晶体管发热所造成的功率损失就是电流乘以晶体管两端压降。

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1. 线性稳压器与LDO的噪声

由于LDO 为电子器件，它们本身会产生一定量的噪声。要生成不会影响系统性能的干净电源轨，选择低噪声 LDO 并采取措施降低内部噪声是不可缺少的环节。

噪声

理想的 LDO 将生成没有交流元件的电压轨。可惜的是，LDO本身也会向其他电子器件一样产生噪声。下图所示为这种噪声在时域中的表现

 

在时域中执行分析十分困难。因此，可通过两种主要方法来查看噪声：跨频率查看噪声和查看积分值形式的噪声。可以使用频谱分析仪识别 LDO 输出端各种交流元件产生的噪声。

下图绘制了 1A 低噪声 LDO（即 TPS7A91）的输出噪声。

 

 

 

从不同曲线中可以看到，输出噪声（以每平方根赫兹的微伏数表示 [μV/Hz]）集中在频谱的低频端。此噪声主要来自内部基准电压，但也有一部分来自误差放大器、场效应晶体管 (FET)和电阻分压器。跨频率查看输出噪声有助于确定所关注频率范围的噪声分布。

例如，音频应用设计师关注的是人耳的可闻频率（20Hz 到20kHz），在此范围内，电源噪声可能会降低声音质量。

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3.线性稳压器与LDO 的压降

 

  

1. 什么是压降或压差？压降电压 VDO 是指为实现正常稳压，输入电压 VIN 必须高出所需输出电压 VOUT(nom) 的最小压差。请参见公式 1：

  (1)

如果 VIN 低于此值，线性稳压器将以压降状态工作，不再调

节所需的输出电压。在这种情况下，输出电压 VOUT(dropout)

将等于 VIN 减去压降电压的值（公式 2）：

  (2)

以调节后电压为 3.3V 的 TPS799 等 LDO 为例：当输出200mA 电流时，TPS799 的最大压降电压指定为 175mV。只要输入电压为 3.475V 或更高，就不会影响调节过程。但是，输入电压降至 3.375V 将导致 LDO 以压降状态工作并停止调节，如图所示。

 

图 ：在压降状态下工作的 TPS799。

压降主要由 LDO 架构决定。除了架构之外，压降还会受到其他一些因素的影响，如下表 所示：

 

 

线性稳压器与LDO的压降并不是一个静态值。使用和选择LDO时根据特定的条件选择最适合的 LDO。

 

线性稳压器与LDO的压降或压差 是指输入电压进一步下降而造成LDO不能再调节时的输入至输出电压差。在压差区域内，调整元件作用类似于电阻，阻值等于漏极至源极导通电阻。负载电流越小，压差也会按照比例下降。低压差可最大程度的提高效率。

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4.线性稳压器与LDO的静态电流

 

静态电流（Iq） 是指当外部负载电流为零时为LDO内部电流供电消耗的电流。它包括基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流过温检测等电路的工作电流。静态电流由拓扑结构、输入电压和温度确定。

Iq=Iin（空载时）

一般来说，静态电流不随输入电压的变化而变化，几乎恒定不变。

接地电流（Ignd） 是指输入电流与输出电流之差，并且必然包括静态电流。接地电流可最大程度的提高效率。

Ignd=Iin-Iout

一般来说，接地电流会随着负载电流变化而变化如下图所示：

 

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5.线性稳压器与LDO的噪声、电源纹波与抑制比

 

 

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。

 

低压差线性稳压器（LDO）最大的优点之一是它们能够衰减开关模式电源产生的电压纹波。这对锁相环（PLL）和时钟等信号调节器件在内的数据转换器尤为重要，因为噪声电源电压会影响性能。

 

电源抑制比（PSRR）：

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。

 

纹波抑制比，是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对数比，单位为分贝（dB）。如下图：所选的mt54xxB

 

实际芯片的应用手册描述的是需要在哪个频段范围内，有抑制纹波的要求。对应的值越高，表明电源的抗干扰能力就越强。一般来讲，负载电流不同，纹波抑制比就会发生变化，电流越大，纹波抑制比就越大，波动也就越大。公式为：

 

Vripple_in：输入电压中纹波峰峰值，Vripple_out：输出电压中纹波峰峰值

 

公式表明纹波衰减越高（也就是相同的输入纹波，在输出端的波动越小），PSRR值越高。

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6.线性稳压器及LDO的应用场景及LDO的选择标准

 

 

应用场景：LDO的应用非常简单，很多LDO仅需在输入端及输出端各接一颗电容即可稳定工作。在LDO的应用中需要考虑压差、静态电流、PSRR等重要参数。在以电池作为电源的系统中，应当选择压差尽量低的LDO，这样可以使电池更长时间为系统供电，比如NCP600，NCP629等等。

 

300 mA的LDO稳压器降压稳压器电路

 

 

 

LDO的选择标准：

为了选出一个合适的LDO ，一些关键的指标通常是必须考虑到的，它们包括：

50. VIN (min)
50. VIN (max)
50. VOUT
50. IOUT
50. 耗散功率
50. 最小电压差
50. 电源纹波抑制比
50. 静态电流IQ

 

     VIN (min)

V IN(MIN) > 2.5V : 这种场合可以使用PMOS类型的 LDO

V IN(MIN) > 1.0V : 在这种场合下，使用外加偏置电压或内置电荷泵升压偏置的NMOS型 LDO可以派上用场

VIN (max)

 

VOUT

 

固定输出电压的LDO具有内部反馈网络，输出电压可调的LDO要使用外部反馈网络，它提供了更多的灵活性。一些输出可调的器件同时也具有内部反馈网络，因此也可作为固定输出版本使用。

IOUT

所选LDO的电流输出能力必须满足应用的需要，负载电流与输入输出电压差的乘积又决定了功耗，这些都必须被同时考虑到。

LDO控制器因为采用外部MOSFET来提供电流，通常可以有更大的电流输出能力。

 

 

耗散功率

LDO的功耗是由跨过LDO输入、输出端的电压降（VIN-VOUT）乘上流过它的电流所决定的，其计算公式为PD = (VIN - VOUT)* ILOAD。

 

下图显示了特定功耗值下允许的LDO电压降与电流之间的关系曲线。

 

 

流过LDO的电流或落在LDO上的电压降增加时 ，会迅速导致功耗的增加，在选择LDO的封装时必须考虑到这一因素，确保其可以承担这一功耗。

 

表面贴装类型的LDO所允许的最大功耗与封装类型、PCB布局和环境温度有关。通过将容许的LDO最高结温和环境温度之间的差值 (TJUNCTIONmax - TAMBIENTmax)除以结点到环境之间的热阻θJA可以计算出容许的最大功耗(PDmax)。规格书中列出了热阻θJA的值，但需要切记这个值是根据JEDEC的方法得出的，在使用时最好是稍微保守一点。

 

这里给出了几种常用封装类型的实际功率耗散限制，这是基于正常的PCB布局（连接到芯片引脚的PCB铜箔比引脚和散热片略大）、PCB环境温度为60°C、芯片结温为125°C的条件下计算得出的。如果环境温度更低，容许的功耗就可以更大。如果你的PCB面积比较小，或者附近还有其它的发热组件，容许的最大功耗就可能要少些。

 

输入输出电压差

LDO需要保持一定的输入输出电压差才能保持输出电压的稳定。

LDO是低压差的线性稳压器，这基本上是意味着即使输入电压非常接近输出电压时它仍然能够保持输出电压的稳定。

 

LDO的最小电压差被定义为跨过它的电压低至它开始不能维持其稳定输出电压时的输入输出电压差。

 

 

 

LDO Dropout Voltage Explained

这是一个使用P沟道 MOSFET为调整管的LDO的基本电路， MOSFET的源极与VIN相连接到VIN 。为了调节输出电压，误差放大器控制着相对于VIN的P-MOSFET的栅极电压，因而控制着MOSFET的导通程度。

 

LDO需要一定的输入、输出电压差以实现输出电压的调节。

 

当输入和输出间的电压差变小时，MOSFET的工作点向其线性欧姆区移动，这在MOSFET的 I / V曲线上即是向左侧移动。

 

在线性欧姆区中，MOSFET的特性变为电阻性的，误差放大器会将栅极电位拉至接近地电位的水平上。在此工作点上，输出电压便无法再被调节了。

 

Dropout Voltage

为了将输出电压保持在调节良好的状态下，必须确保输入电压加上电压纹波和误差以后总是高于“输出电压 + LDO最小电压差”。

 

LDO规格书中呈现的压差曲线会显示出LDO电压差与输出电流和温度之间的关系，借助这些曲线，我们还可以对MOSFET调整管的R DS(ON)进行计算。

 

电源纹波抑制比

 

如果系统对电源纹波和噪声很敏感，低噪声线性稳压器就是理想的选择。

PSRR是电源纹波抑制比(Power Supply Ripple Rejection)的缩写。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。在立锜科技的产品规格书中， PSRR被定义为输出电压和输入电压中纹波的幅度的比值 ，因此，PSRR值越低，代表其性能越好。

 

 

在此样图中显示了PSRR与频率之间的关系。在频率高达10kHz以下 ，该 LDO具有很高的开环电压增益，能对纹波形成非常有效的抑制。

 

当频率增加时，环路增益因为LDO的带宽限制而降低，PSRR曲线随之上翘。更高的LDO负载电流将负荷极点推向上方，所以在高负荷条件下的单位增益频率也较高。在此范例中，10mA负载时的LDO单位增益频率为300kHz，300mA负载时就变成了1MHz，这可以从图中曲线的峰值上看出来。

 

在单位增益频率以上，LDO已经无法消除波纹了。在此非常高频率出处的纹波的衰减，主要是藉由LDO输出电容和它的内部寄生电容来实现的。

 

超低静态电流 (IQ)

 

比如应用中是否需要以小型电池作为长期工作的电源？

这种类型的系统通常只在极少的时间段是处于活动状态的，其它的大部分时间里它们都处于睡眠状态。由于占比极大，睡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，选择具有极低静态电流的器件就是必须的。

 

LDO的静态电流是指由IC内部的反馈控制和驱动电路所消耗的电流，通过对流过LDO接地引脚的电流进行测量可以获得该数据。

 

 

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7.常用的一些LDO芯片及使用

 

TPS7A4501（正降压）

数据手册：https://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps7a4501-sp.pdf

 

输出电压可调，典型电路为：

 

输出电压：

 

TPS72301（负LDO）

数据手册：https://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps723.pdf

 

一开始把负LDO的功能搞错了。这里注意一下，负LDO不是实现正压转负压，而是输入一个负电压，输出一个稳定的负电压。TPS72301可以实现这样的功能（输入范围为-11V~0.3V）。其管脚图：

 

 

输出可调，其典型电路为：

 

 

 

 

计算公式

 

 

典型LDO7的使用介绍

当压差达到1.2V时，可正常工作，输出电流可达800mA。

LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。

固定输出型号的一般接法

 

 

可调输出型号的一般接法

 

 

传统的LM317、78XX系列、78MXX系列、78LXX系列介绍

LM317是一款三端可调稳压器（并无固定电压的型号）。输出电流可达1.5A，最小压差3V左右。具体可看数据手册。

 

78XX系列、78MXX系列、78LXX系列是三端固定稳压器。三个系列分别对应输出电流1.5A、0.5A、0.1A。只有固定输出电压型号，无可调型号。如：7805代表固定5V输出。同时，输入输出电压的压差为2~3V，相比LM1117的1.2V略大。

 

在一块PCB板中，如果用电单元之间会相互干扰或者电流要求总和超过了一个LDO的输出能力，则可以采用多个相同的LDO分别为其供电。

呜呼哀哉

版主这个资料好全，从原理到电路结构，接着参数要点，补充输入输出电容选择与稳定性就全了。

okhxyyo

呜呼哀哉 发表于 2022-6-10 16:54 版主这个资料好全，从原理到电路结构，接着参数要点，补充输入输出电容选择与稳定性就全了。

还没汇总好呢。

minibmw888

楼主总结的很全面