LDO与三端稳压器详解

一、分类：
线性稳压器根据内部电路结构主要分为以下几类：
NPN、LDO、准LDO、PMOS、NMOS

以下分别是上述几种稳压器的电路原理：
（1）NPN架构：

（2）LDO架构：

（3）准LDO架构：

（4）PMOS架构：

（5）NMOS架构：

我们常用的一般是准LDO和PMOS LDO.

二、工作原理：
接下来以LDO为例，来说一下线性稳压器工作原理：

如上图所示，LDO由串联调整管 VT 、取样电阻 R3 和 R4 、比较放大器 A 组成。

取样电压加在比较器 A 的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压 Vref相比较，两者的差值经放大器 A 放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压 Vout 降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压高。相反，若输出电压 Vout 超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

可调 LDO 和固定输出的 LDO 的区别就在于 R3 和 R4，可调 LDO 的 R3 和R4 未集成在芯片内部，而要求在外围电路上添加，根据 R3 和 R4 的比值来设置输出电压。固定输出的 LDO，其 R3 和 R4 是集成在芯片内部的，厂家根据需要的输出值设定 R3 和 R4 的值。

接下来简单说一下可调LDO：

可调 LDO 的一般输出电压计算公式：
Vout=Vref(1+R2/R1)+ Iadj*R2* ；

Iadj 的值很小，当 R2 的值较小时， IadjR2 值可忽略不计。但如果 R2 值较大，那 IadjR2 的值就不能忽略了。一般稳压器如 1117系列的 Iadj 典型值在 50uA左右，如果 R2 取值为 2K 时，电压误差就达到 0.1V 了。

一般 LDO 的 Vref 值为 1.25V，也有一些会有不同。如 ANACHIP 有一款AP133，其 Vref=0.8V，可用于调节输出介于 1～1.25V 间的电压，这是普通 LDO无法做到的。

三、选型注意事项：

1.效率及散热设计

η＝Pout/Pin=(IoutVout)/(IinVin)=(Iout*V out)/((Iout + Ignd)*Vin)
因为 Ignd 和 Iout 比起来可以忽略不计，因此上式可以近似成：

              **η≈Vout/Vin**

可见 LDO 的效率近似等于输出电压比上输入电压。因此在选用 LDO 时，一定要注意输出电压和输入电压的压差。在保证输出电压稳定的基础上，输入电压越小效率越高。尤其是在大电流通路上，压差过大，不但效率太低，还会造成过大的热量，影响电路的稳定性。

2.线型稳压器的热损耗
近似计算公式：
Pdissipation ≈（VIN －VOUT ）× ILOAD

由于结温的升高会使芯片的寿命变短，因此我们必须尽可能地降低芯片的结温，最好是能控制在 80～100℃以内；如果无法做到这点，也至少要做到产品规格书中标称结温最大工作温度的 80％以下。

假定如下条件：封装为 SOT-223的 1117芯片，结到环境的热阻为 117℃/W（不加散热片及通风措施的情况下），最大工作结温为 150℃。假设在40℃的室温环境下 ,IC 上的最大热损耗约为：
（150℃×0.8－40℃） / 117 ℃/W＝0.68W

上述为无任何外部散热的条件下的计算值，实际应用中印制板上的铜箔会起到散热片的效果，因此实际能承受的耗散功率比上述计算值会略微大些。

TA=25℃时各类封装热耗散能力参考值：
SOT-223 约 600～700mW
TO-252 约 1.0～1.1W
TO-263/ 220 约 1.1～1.2W
SOT-89 约 300～400mW
SOT-23 约 200 mW
TO-92 约 500mW

知道了热损耗 PD 和热阻θJA后，我们就能计算出温升的近似值，但这个值往往因印制板、周围器件、空气流动等因素而与实际温度有差别。因此要判断所设计电路的温升是否能满足要求，应以实际测量的温度值为准。

3.压降 Vdrop
Vdrop 为在某一输出电流强度下，输入输出压差的最小值。一般产品规格书上会提供相应的 Vdrop-Iout 曲线。

LDO 在选用时需要留意这个参数，一定要满足：
Vdrop ＜Vin -Vout

因此在实现 3.3V 转 2.5V 或 2.5V 转 1.8V 等输入输出压差比较小的情况时，一定要留意所用 LDO 的 Vdrop 参数是否能满足上述要求。

4.最小工作电压和最大输入电压
最小工作电压指为保证稳压器内部 IC 电路正常工作，输入电压需要满足的最小值。因此在设计时 Vin 除了要满足 V in －V out ＞V drop 外，还要满足 V in ＞V 最小工作。

5.静态电流
静态电流指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流，也叫接地电流。静态电流可以理解为提供以使稳压器 IC 正常运作的电流，并不直接带载，因此静态电流纯是损耗，越小越好。

6.输出电容的选择
线型稳压器的输出电容除用做滤波外，其最重要的功能是输出稳定补偿。因为线型稳压器是一个反馈系统，一般是多极点系统，由于这些极点的存在，可能使相位裕度低于稳定状态的容限值，导致输出回路不稳定，甚至发生自激现象。

为改善相位裕度，通常采用相位补偿技术，在系统内增加零点可以改善相位裕度，改善的效果取决于所增加的零点的频率位置。输出回路上所并接的电容，其 ESR和电容一起能够起到在系统内增加一个零点的效果，相对应的零点频率约为 1/(2πReC)，其中 Re为等效串联电阻， C 为补偿电容容值。当补偿电容选择不当时，零点对相位裕度的改善不够，整个回路还是可能不稳定的。

在选择补偿电容时，我们需要着重关注的是电容的 ESR 参数。

一般来说准 LDO 用电解电容做输出补偿电容也能满足要求，但为了使 ESR尽量小些，要求电解容的容值不小于 47uF，推荐 47uF～100uF；对于输出小于等于 5V 的电路，耐压值不小于 10V，推荐 10V～16V，耐压值选大些是为了使其 ESR 小些。对于 PNP LDO 来说，对 ESR要求会更严格些。（现在的稳压器很多在芯片内部已集成了补偿电路，因此对外部补偿用的电容 ESR 要求变得不那么严格了）在选择电容时应该参考芯片规格书上关于输出电容的要求说明和建议参数值。

7.PSRR
PSRR(Power Supply Rejection Ratio)，即电源纹波抑制比，是反映输出和输入频率相同的条件下，输出对输入纹波抑制能力的交流参数，采用对数比值，单位为分贝，基本计算公式为：
PSRR=20log[Ripple (Vin)/Ripple (Vout)]

改善 PSRR的方法：
芯片设计时可以在 LDO 基准的输出端增加一路低通滤波器。因为内置滤波器会占用较大的芯片尺寸，因此有些芯片在设计时会将低通滤波器设计在芯片外围电路上，将基准脚引出来（即 Bypass脚），用于连接基准旁路电容。增大旁路电容，有利于减小输出噪声 ,提高 LDO 的 PSRR。但旁路电容会对 LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压上升速率越慢，在使用时要注意。建议使用陶瓷电容的典型值为 470 pF ～ 1uF 。

8.最小负载电流 (Minimum Load Current)
这个参数是为了保持输出稳压状态，导通管上需要流过的最小电流。如果负载未达到最小负载电流的要求，则可能导致稳压器输出电压漂浮不定。 这个参数只针对可调稳压器而言。

对导通管而言，调压电阻 R3 和R4 也是其负载。因此只要满足下面式子 LDO 就能保持电压稳定输出了：
I R3 +I Load ≥I MiniLoad

当 ILoad =0 时，只要满足 I R3 ≥I MiniLoad 即可，因此固定输出的 LDO 在设计时，厂家可以通过调整 R3 和 R4的值来使 IC 内部即能满足最小负载电流的值，使用者在设计时无需考虑这个参数。而对可调 LDO 而言，R3 设计在外围电路，因此就需要我们使用者在设计时考虑这个参数。
需要满足下式： VREF /R3≥I MiniLoad

一般 VREF 为 1.25V，如果 I MiniLoad 为 10mA，则 R3≤125 欧姆，可选为 120欧姆。根据输出电压的要求我们就可以计算出 R2 的值。

一般厂家除了提供最小负载电流的参数外，还会提供推荐的外围电路参数，方便我们设计时选择合适的电阻值。

四、设计注意事项：
1.PCB布局
应该严格参考Datasheet手册推荐布局，如下图所示为PCB上的LDO等效电路图：
理想的 LDO 版图设计，应该使 1、2、3、4 这四个环路做到尽可能的小。其中环路1 和环路 2 最重要：
因为环路 1 直接影响 PSRR参数，对输出纹波影响很大；
环路 2 也会影响输出纹波，还会影响补偿电容的等效 ESR，因为补偿电容的实际等效 ESR＝ESRc +R trace ，当补偿电容与整个LDO 的环路变大时， R trace 变大，补偿电容的实际等效 ESR 也随之变大，从而会使整个电路变得不稳定；
环路 3 直接影响输出纹波；
环路 4 直接影响输入纹波并间接影响到输出的纹波，也要重视。

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