低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 能夠在很寬的負(fù)載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持其指定的輸出電壓，輸入和輸出電壓之間的差異非常小。這種差異稱為壓差或裕量要求，在80 A時可低至2 mV。可調(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器11977年首次引起公眾關(guān)注。如今，便攜式設(shè)備通常需要多達(dá)20個低壓差線性穩(wěn)壓器。當(dāng)今便攜式設(shè)備中的許多LDO都集成到多功能電源管理IC中2（PMIC） — 具有 20 個或更多電源域的高度集成系統(tǒng)，用于音頻、電池充電、內(nèi)務(wù)管理、照明、通信和其他功能。

然而，隨著便攜式系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成的PMIC無法滿足外設(shè)電源要求。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段，必須添加專用的LDO，為攝像頭模塊、藍(lán)牙、WiFi和其他螺栓固定模塊等可選項目供電。LDO還被用作降噪的創(chuàng)可貼，以解決由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線引起的電壓調(diào)節(jié)問題，并通過關(guān)閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率。

本文回顧了基本的LDO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解釋了關(guān)鍵規(guī)格，并展示了低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。將使用ADI公司LDO系列的設(shè)計特性給出示例3.

圖1.LDO以低壓差（額定負(fù)載電流下Vout與Vin的最低指定值之差）調(diào)節(jié)輸出電壓。

基本 LDO 架構(gòu)4.LDO由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、反饋分壓器和調(diào)整管組成，如圖1所示。輸出電流通過調(diào)整器件提供。其柵極電壓由誤差放大器控制，誤差放大器將基準(zhǔn)電壓與反饋電壓進(jìn)行比較，放大差值以降低誤差電壓。如果反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓，則調(diào)整管的柵極被拉低，允許更多的電流通過并增加輸出電壓。如果反饋電壓高于基準(zhǔn)電壓，則調(diào)整管的柵極被拉高，從而限制電流并降低輸出電壓。

該閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個主要極點：誤差放大器/調(diào)整管形成的內(nèi)極點和放大器輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）形成的外部極點。輸出電容及其ESR會影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負(fù)載電流瞬態(tài)變化的響應(yīng)。建議使用1歐姆或更低的ESR以確保穩(wěn)定性。此外，LDO 需要輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負(fù)載瞬變。較大的值可改善LDO的瞬態(tài)響應(yīng)，但會增加啟動時間。ADI公司的LDO設(shè)計為在使用指定電容時在指定工作條件下保持穩(wěn)定。

LDO效率。提高效率是設(shè)計工程師的持續(xù)要求。這意味著靜態(tài)電流（Iq）和正向壓降的降低。

以智商為分母，很明顯，智商越高，效率越低。今天的LDO具有相當(dāng)?shù)偷腎q，為簡單起見，如果Iq與ILOAD相比非常小，則在效率計算中可以忽略Iq。那么LDO效率就是（Vo/Vin）*100%。由于LDO無法存儲大量未使用的能量，因此未輸送到負(fù)載的功率在LDO內(nèi)以熱量的形式消散。

LDO提供穩(wěn)定的電源電壓，不受負(fù)載和線路變化、環(huán)境溫度變化和時間推移的影響，電源電壓和負(fù)載電壓之間的差異很小，效率最高。例如，當(dāng)鋰離子電池從 4.2 V（完全充電）降至 3.0 V（放電）時，連接到電池的 2.8 V LDO 將在負(fù)載下保持恒定的 2.8 V（壓差低于 200mV），但其效率將從充滿電電池的 67% 增加到放電電池的 93%。

為了提高效率，可以將LDO連接到由高效開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌。例如，對于3.3 V開關(guān)穩(wěn)壓器，LDO效率將恒定為85%，整體系統(tǒng)效率將為81%，假設(shè)開關(guān)穩(wěn)壓器的效率為95%。

電路特性增強(qiáng)了LDO性能：使能輸入允許外部控制LDO導(dǎo)通和關(guān)斷，從而允許在多電源軌系統(tǒng)中按適當(dāng)?shù)捻樞驅(qū)﹄娫催M(jìn)行排序。軟啟動可限制浪涌電流，并控制上電期間的輸出電壓上升時間。睡眠狀態(tài)可最大限度地減少功耗，這在基于電池的系統(tǒng)中特別有用，同時允許快速開啟。如果溫度超過指定值，熱關(guān)斷將關(guān)閉 LDO。過流保護(hù)限制了LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖在電源電壓低于規(guī)定的最小值時禁用輸出。圖2顯示了便攜式設(shè)計的簡化典型電源系統(tǒng)。

Figure 2. Typical power domains in a portable system.

Understanding Linear Regulator Requirements

LDOs for Digital Loads: Digital linear regulators, such as the ADP170 and ADP1706, are designed to support the main digital requirements of a system, usually microprocessor cores and system input/output (I/O) circuitry. LDOs for DSPs and microcontrollers have to work with good efficiency and handle high and rapidly varying currents. Newer application requirements put tremendous strain on the digital LDO, because processor cores often change clock speed to save energy. The clock-speed variation, in response to software-induced loading, translates into a demanding need for LDO load-regulation capability.

數(shù)字負(fù)載的重要特性是線路和負(fù)載調(diào)整率以及瞬態(tài)下沖和過沖。為低壓微處理器內(nèi)核供電時，精確的輸出控制始終非常重要;監(jiān)管不足會使核心閂鎖。上述參數(shù)并不總是出現(xiàn)在數(shù)據(jù)手冊中，瞬態(tài)響應(yīng)圖可能顯示響應(yīng)瞬態(tài)信號的樂觀上升和下降速度。線路和負(fù)載調(diào)整率以兩種方式表示：在特定負(fù)載電流下輸出電壓隨負(fù)載變化的偏差百分比、實際 V/I 值或兩者兼而有之。

為了節(jié)省能源，數(shù)字LDO采用低Iq設(shè)計以延長電池壽命，便攜式系統(tǒng)在軟件空閑時具有長時間的低功耗運行。在不活動期間，系統(tǒng)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這需要LDO關(guān)斷并消耗小于1 μA。當(dāng)LDO處于休眠模式時，所有電路（包括帶隙基準(zhǔn)電壓源）均關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)返回活動模式時，需要快速導(dǎo)通時間，在此期間，數(shù)字電源電壓不得過沖。過沖過大會導(dǎo)致系統(tǒng)閂鎖，有時需要取出電池或激活主復(fù)位按鈕以糾正問題并重新啟動系統(tǒng)。

用于模擬和射頻負(fù)載的 LDO：ADP121和ADP130中的低噪聲和高電源抑制（PSR）對于模擬環(huán)境中使用的LDO非常重要，因為模擬器件對噪聲比數(shù)字器件更敏感。模擬LDO的要求主要由無線接口要求驅(qū)動：“不會傷害接收器或發(fā)射器，并且不會在音頻系統(tǒng)中產(chǎn)生爆裂聲或嗡嗡聲。無線連接極易受到噪聲的影響，如果噪聲干擾信號，接收器的有效性可能會降低。在考慮使用模擬線性穩(wěn)壓器時，器件必須抑制來自上游源和下游負(fù)載的噪聲，同時又不增加進(jìn)一步的噪聲。

模擬穩(wěn)壓器的噪聲以伏特均方根和PSR為單位，其抑制上游噪聲的能力。增加一個外部濾波器或旁路電容可以降低噪聲，但會增加成本和尺寸。降噪和電源噪聲抑制也可以通過LDO內(nèi)部設(shè)計的謹(jǐn)慎和獨創(chuàng)性來實現(xiàn)。在選擇LDO時，重要的是要查看與每個系統(tǒng)所需的整體性能相關(guān)的產(chǎn)品詳細(xì)信息。

關(guān)鍵LDO規(guī)格和定義

注意：制造商數(shù)據(jù)表首頁上的規(guī)格是簡短的摘要，通常以強(qiáng)調(diào)器件吸引人的功能的方式呈現(xiàn)。關(guān)鍵參數(shù)通常強(qiáng)調(diào)典型的性能特征，只有在查閱文檔正文中的完整規(guī)范和其他數(shù)據(jù)時，才能更充分地理解這些特征。此外，由于制造商在規(guī)格呈現(xiàn)方式上幾乎沒有標(biāo)準(zhǔn)化，電源設(shè)計人員需要了解用于獲取電氣規(guī)格表中列出的關(guān)鍵參數(shù)的定義和方法。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)密切關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)，例如環(huán)境和結(jié)溫范圍、圖形信息的 X-Y 標(biāo)度、負(fù)載、瞬態(tài)信號的上升和下降時間以及帶寬。我們在此討論與ADI公司LDO的表征和應(yīng)用相關(guān)的重要參數(shù)。

輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了最低可用輸入電源電壓。規(guī)格可能顯示較寬的輸入電壓范圍，但最低輸入電壓必須大于壓差加上所需的輸出電壓。例如，150 mV 壓差意味著輸入電壓必須高于 2.95 V，才能獲得穩(wěn)定的 2.8 V 輸出。如果輸入電壓降至2.95 V以下，輸出電壓將降至2.8 V以下。

接地（靜態(tài)）電流：靜態(tài)電流 Iq 是在指定負(fù)載電流下測量的輸入電流 IIN 和負(fù)載電流 IOUT 之間的差值。對于固定穩(wěn)壓器，Iq 與接地電流 Ig 相同。適用于可調(diào)電壓穩(wěn)壓器，例如ADP1715，靜態(tài)電流是接地電流減去來自外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的電流。

關(guān)斷電流：禁用設(shè)備時消耗的輸入電流。對于便攜式 LDO，通常低于 1.0 μA，此規(guī)格對于便攜式設(shè)備關(guān)閉時長時間待機(jī)期間的電池充電壽命非常重要。

輸出電壓精度：ADI公司的LDO專為高輸出電壓精度而設(shè)計;它們在 1°C 時經(jīng)過工廠調(diào)整至±25% 以內(nèi)。 輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)指定;錯誤指定為 x% 最壞情況±。

線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是輸出電壓隨輸入電壓變化而變化。為了避免由于芯片溫度變化而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性，測量是在低功耗條件下或使用脈沖技術(shù)進(jìn)行的。

動態(tài)負(fù)載調(diào)整率：只要負(fù)載電流變化緩慢，大多數(shù)LDO就可以輕松保持輸出電壓幾乎恒定。然而，當(dāng)負(fù)載電流快速變化時，輸出電壓也會發(fā)生變化。當(dāng)受到負(fù)載電流變化時，輸出電壓的變化程度決定了負(fù)載瞬態(tài)性能。

壓差：壓差是指維持穩(wěn)壓所需的輸入和輸出電壓之間的最小差值。也就是說，LDO可以在輸入減小時保持輸出負(fù)載電壓恒定，直到輸入達(dá)到輸出電壓加上壓差，此時輸出“壓差”于穩(wěn)壓。壓差應(yīng)盡可能低，以最大限度地降低功耗并最大限度地提高效率。通常，當(dāng)輸出電壓降至低于其標(biāo)稱值100 mV時，認(rèn)為達(dá)到壓差。負(fù)載電流和結(jié)溫會影響壓差。最大壓差應(yīng)在整個工作溫度范圍和負(fù)載電流范圍內(nèi)指定。

啟動時間：啟動時間定義為使能信號上升沿至VOUT達(dá)到其標(biāo)稱值的90%之間的時間。該測試通常在施加VIN且使能引腳從關(guān)斷切換到導(dǎo)通的情況下進(jìn)行。注意：在某些情況下，如果使能連接到VIN碼，啟動時間可能會大大增加，因為帶隙基準(zhǔn)電壓源需要時間才能穩(wěn)定下來。穩(wěn)壓器的啟動時間對于頻繁關(guān)閉和打開以節(jié)省便攜式系統(tǒng)功耗的應(yīng)用來說是一個重要的考慮因素。

限流門限：限流閾值定義為輸出電壓降至指定典型值的90%的負(fù)載電流。例如，3.0 V輸出電壓的電流限制定義為導(dǎo)致輸出電壓降至90.3 V或0.2 V的7%的電流。

工作溫度范圍：工作溫度范圍可由環(huán)境和結(jié)溫指定。由于LDO散熱，IC將始終在環(huán)境溫度之上工作。高于環(huán)境溫度的程度取決于工作條件和PCB熱設(shè)計。指定最大結(jié)溫 （TJ），因為長時間高于最大結(jié)溫的操作可能會影響器件可靠性，統(tǒng)計上指定為平均失效時間 （MTTF）。

熱關(guān)斷：大多數(shù)LDO都有硅恒溫器，用于保護(hù)IC免受熱失控的影響。它們用于在結(jié)溫超過指定的熱關(guān)斷門限時關(guān)斷LDO。需要遲滯以使LDO在重新啟動之前冷卻。TSD很重要，因為它保護(hù)的不僅僅是LDO;過熱影響的不僅僅是調(diào)節(jié)器。從LDO傳導(dǎo)到PCB的熱量（或從電路板上較熱的元件傳導(dǎo)到LDO）會隨著時間的推移損壞PCB材料和焊接連接，還會損壞附近的組件，從而縮短便攜式設(shè)備的使用壽命。此外，熱關(guān)斷會影響系統(tǒng)可靠性。因此，控制電路板溫度（散熱、冷卻等）的散熱設(shè)計是一個重要的系統(tǒng)考慮因素。

啟用輸入：LDO使能（以正邏輯和負(fù)邏輯提供）可打開和關(guān)閉器件。當(dāng)使能電壓超過邏輯高閾值時，高電平有效邏輯使能器件。當(dāng)使能電壓低于邏輯低門限時，低電平有效邏輯使能器件。使能輸入允許對LDO導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行外部控制，這是多電源軌系統(tǒng)中電源排序的一個重要特性。一些LDO的啟動時間要短得多，因為它們的帶隙基準(zhǔn)電壓源在LDO禁用時導(dǎo)通，從而使LDO能夠更快地導(dǎo)通。

欠壓鎖定：欠壓鎖定（UVLO）將確保僅當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓高于指定閾值時，才向負(fù)載提供電壓。UVLO很重要，因為它只允許器件在輸入電壓等于或高于器件穩(wěn)定運行所需的電壓時上電。

輸出噪聲：LDO的內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源是噪聲源，通常以特定帶寬內(nèi)的微伏均方根為單位。例如，ADP121在40.10 V輸出時，在100 kHz至1 kHz范圍內(nèi)具有2 μV rms的輸出噪聲。在比較數(shù)據(jù)手冊規(guī)格時，指定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。

電源抑制：PSR以分貝表示，用于衡量LDO在寬頻率范圍（1 kHz至100 kHz）內(nèi)抑制來自輸入電源的紋波的程度。在LDO中，PSR可以用兩個頻段來表征。頻段1從直流到控制環(huán)路的單位增益頻率;PSR由穩(wěn)壓器的開環(huán)增益設(shè)定。頻段2高于單位增益頻率;PSR 不受反饋回路的影響。此處PSR由輸出和從輸入到輸出引腳的任何泄漏路徑設(shè)置。選擇適當(dāng)?shù)母咧递敵鲭娙萃ǔ纳坪笠粋€頻段的PSR。在頻段1中，ADI公司的專有電路設(shè)計減少了由于輸入電壓和負(fù)載變化而導(dǎo)致的PSR變化。為了獲得最佳電源抑制，必須考慮PCB布局以減少從輸入到輸出的泄漏，并且接地應(yīng)可靠。

最小輸入和輸出電容：在整個工作條件下，最小輸入和輸出電容應(yīng)大于規(guī)定值，尤其是工作電壓和溫度。在選擇器件時，必須考慮應(yīng)用中的所有工作條件，以確保滿足最小電容規(guī)格。建議使用 X7R 和 X5R 型電容器;不建議將 Y5V 和 Z5U 電容器與任何 LDO 一起使用。

反向電流保護(hù)功能：具有PMOS調(diào)整器件的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管。當(dāng)VIN大于VOUT時，該二極管反向偏置。如果VOUT大于VIN，本征二極管將變?yōu)檎蚱茫⒃赩OUT之間傳導(dǎo)電流，從而可能導(dǎo)致破壞性功耗。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，具有額外的電路，以防止從VOUT到VIN的反向電流。反向電流保護(hù)電路檢測VOUT何時大于VIN并反轉(zhuǎn)本征二極管連接的方向，使二極管反向偏置。

軟啟動：可編程軟啟動可用于降低啟動時的浪涌電流和提供電壓排序。對于啟動時需要受控浪涌電流的應(yīng)用，ADP1740/ADP1741等LDO提供可編程軟啟動（SS）功能。為了實現(xiàn)軟啟動，在SS至GND之間連接一個小陶瓷電容器。

結(jié)論

LDO 執(zhí)行至關(guān)重要的功能。雖然概念簡單，但在應(yīng)用它們時需要考慮許多因素。本文回顧了LDO的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并解釋了低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的關(guān)鍵規(guī)格和應(yīng)用。數(shù)據(jù)表包含許多有用的信息。

審核編輯：郭婷