LDO稳压器详解（一）

LDO（Low Dropout Regulator） 低压差稳压器在电源设计中用途十分广泛。相比于DCDC稳压器，LDO具有噪声小，芯片尺寸小，外围器件少且设计简单等优点；也存在输入输出电压压差大时导致效率低且发热量大，只能降压使用等缺点。本篇文章重点介绍LDO相关术语以及一些基本概念。

内部框图（Block）

误差放大器的引脚（FB）电压与基准电压 (VREF) 相同，因此输出电压值（VO）由两个电阻（R1和R2）的阻值比决定。

Vo=[(R1+R2) / R2] x VREF

下图的输出晶体管为MOSFET，不过也有使用双极晶体管产品。

Dropout Voltage(压差)

压差（VDROPOUTV_{DROPOUT}VDROPOUT） 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（RDSONRDS_{ON}RDSON）,压差可以RDSONRDS_{ON}RDSON和负载电流表示：

VDROPOUTV_{DROPOUT}VDROPOUT= ILOADI_{LOAD}ILOAD X RDSONRDS_{ON}RDSON

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。

Quiescent and Ground Current （静态电流与接地电流）

静态电流（IQI_QIQ） 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。

IQI_QIQ=IINI_{IN}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（IGNDI_{GND}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。

IGNDI_{GND}IGND=IINI_{IN}IIN - IOUTI_{OUT}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：

对于高性能的CMOS LDO，接地电流通常远小于负载电流的1％。接地电流会随负载电流的增加而增加，因为PMOS调整元件的栅极电流增加来补偿因RONR_{ON}RON引起的压降。

Shutdown Current （关断电流）

关断电流是指输出禁用时LDO消耗的输入电流。在关断模式下，参考电路和误差放大器不工作。关断电流会随温度的升高而增加。

Efficiency （效率）

LDO的效率公式如下：

η=IOUT∗VOUT(IOUT+IGND)∗VIN∗100％η=\frac{I_{OUT} * V_{OUT}}{(I_{OUT}+I_{GND})*V_{IN}} * 100％η=(IOUT+IGND)∗VINIOUT∗VOUT∗100％

想提高LDO效率，需要最大程度的缩小输入与输出之间的电压差，也要最大程度的降低接地电流。

DC Load Regulation （直流负载调整率）

负载调整率是衡量负载变化时仍保持输出电压的能力。负载调整率定义如下:

负载调整率=ΔVOUTΔIOUT负载调整率=\frac{ΔV_{OUT}}{ΔI_{OUT}} 负载调整率=ΔIOUTΔVOUT

如下是某LDO输出电压与负载电流之间的关系:

DC Line Regulation （直流输入电压调整率）

输入电压调整率是衡量LDO在输入电压变化时仍保持输出电压的能力。电压调整率定义如下:

输入电压调整率=ΔVOUTΔVIN输入电压调整率=\frac{ΔV_{OUT}}{ΔV_{IN}} 输入电压调整率=ΔVINΔVOUT

如下是不同负载条件下某LDO输出电压与输入电压之间的关系图。输入电压调整率随负载电流增加而变差。

Load Transient Response (负载瞬态响应)

负载瞬态响应是指负载电流阶跃变化时的输出电压的变化。它与输出电容值、电容等效电阻（ESR）、LDO环路增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关。

如果负载变化速率非常缓慢，LDO控制环路会跟踪到该变化做出补偿响应。但是如果负载瞬态响应很快环路来不及补偿，可能会出现异常行为比如低相位裕量导致振铃。下图所示1.5mA 到1.5A负载瞬态响应曲线。

Line Transient Response （输入电压瞬态响应）

输入电压瞬态响应是指输入电压阶跃变化时输出电压的变化。它与LDO控制环路的增益带宽以及输入电压变化的大小和速率有关。同样，跟在负载瞬态下一样，输入电压的变化速率也对输入瞬态响应有较大的影响。当输入电压缓慢变化（在 LDO 的带宽内只出现一个凹陷）时，可隐藏振铃或其他异常行为。

Power supply rejection ratio（电源抑制比）

PSRR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。

PSRR = 20 × log(ΔVINΔV_{IN}ΔVIN / ΔVOUTΔV_{OUT}ΔVOUT)

PSRR与频率有关,一般而言PSRR越大,LDO性能越好。

参考

LDO Regulator from wikipedia
Understand LDO Concepts to Achieve Optimal Designs

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