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1、LDO一.LDO的基本介绍LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器，是相对于传统的 线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要 比输出电压高出2v3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的 条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v，输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满 足条件的。针对这种情况，才有了 LDO类的电源转换芯片。LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是 指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV之
2、内所需的输入电压与输出电压差 额的最小值。正输出电压的LDO （低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递 设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压， 通常为200mV左右；与之相比，使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降 为2V左右。负输出LDO使用NPN作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO的 PNP设备类似。更新的发展使用 MOS功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。DC-DC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的
3、转换），只要符合这 个定义都可以叫DCDC转换器，包括LDO。但是一般的说法是把直流变（到） 直流由开关方式实现的器件叫DCDC。LDO是低压降的意思，这有一段说明：低压降（LDO）线性稳压器的成 本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很 少，通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输 出噪声 30p V，PSRR 为 60dB，静态电流 6p（TI 的 TPS78001 达到 Iq=0.5uA）， 电压降只有100mV（TI量产了号称0.1mV的LDO）。LDO线性稳压器的性能之 所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSF
4、ET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不 需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用 PNP晶体 管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出 电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压 降非常低。如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用 LDO稳压器，可达到很高 的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为 3V输出电压的应用中大多选用 LDO稳压器。虽说电池的能量最彳度有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作
5、时间较长，同时噪音较低。如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的 DCDC 了， 因为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如 果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的 优点是效率高、可以输出大.电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只 外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较 大、成本相对较高。近几年来，随著半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器、以及 高集成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通 电
6、阻很小的MOSFET可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率 FET。例 如对于3V的输入电压，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次， 对于中小功率的应用，可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高 到1 MHz，还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新 器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。总的来说，升压是一定要选DCDC的，降压，是选择DCDC还是LDO，要 在成本，效率，噪声和性能上比较。二.LDO原理分析根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。 此外，还有一种使用稳压管的小电源。这里说的线
7、性稳压电源，是指调整管工作在线性状态 下的直流稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管是工作在开、关两种状态下的。简单 介绍下分类：NPN稳压管：内部用一个PNP管控制达林顿调整管。LDO稳压管：调整管是一个PNP管。Squasi-LDO：调整管是由一个PNP管控制一个NPN管LDO (low drop output)低压差线性稳压器LDO的工作原理是通过反馈调整MOSFET的Vsd压降以使输出电压不变。输出电压纹 波小，电流也较小，用于RF模块或音频模块等对电压要求高的电路。特点是成本低噪音小。 缺点是效率低，输出电流小，只能用在降压的场合。必须要注意，为了达到稳定的回路就必 须使用负反馈。
8、下面这是LDO S-1167 Series的基本原理图。该电路主要是由串联调整管、取样电阻、比较放大器组成。取样电压加在比较放大器的 同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref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Uout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，从而使输出电压升 高。相反，若输出电压Uout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串联 调整管回路反应速度的限制。环路内的负反馈总是强制比较
9、放大器调节输入两端的电压使其 相等。稳压管的另一个重要的指标就是稳定性，在我们的设计线路中常常看到在其输出端会有 大大小小的电容，其作用是什么呢？下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性。前面提到过三中稳压管：1.NPN稳压管比较老的3端稳压管例如：LM340 LM3172.LDO稳压管例如：S-1167 Series3.准LDO稳压器三种稳压器的最大区别在于压降和接地引脚电流。很明显NPN和准LDO的稳压管在调整 管上稍微复杂点，所以压降也大些。达林管的增益很高，所以只需要很小的电流就可以驱动，准LDO也是这样，IGND很小。PNP管的放大系数一般是15-20, LDO的IGND电流能达 到负载
10、电流的7%。NPN稳压管的最大好处就是无条件的稳定（大多数不需要加外接电容）， LDO则需要在输出端加上电容，以减少回路带宽及提供些正的相位补偿。所有的稳压器都使用负反馈回路以保持输出电压的稳定。但反馈信号在通过回路后都有 一定的增益和相位变化。如果反馈信号相位有180度变化，负反馈就会变成正反馈，造成输 出不稳定。因此反馈信号经过整个回路的相位偏移，需要有至少20度的相位裕度，这样才 能保证电路的稳定。（相位裕度定义为回路总的相位偏移与-180度的差）。环路的不稳定来自于相位移量，我们可以在反馈回路中通过变压器注入正弦小信号，如 下图所示,Loop Gain=Va/Vb从Vb传入交流小信号，
11、同过回路产生相移到达Va。这样可以计 算回路增益，相位的偏移量。（此处以LDO分析）。W123911M 工5 llim可以通过网络分析仪来测量回路增益，它通过向网络回路注入低电平的正弦波，然后从 直流信号扫描到使增益下降到0dB的频率来测量增益的响应。下面以一幅波特图具体分析反馈回路的增益及相位变化情况。FRE4HJCHC1T (HaJ概念：极点增益曲线出现-20dB/10倍频变化的点 零点在增益与相位上的效果与极点相反。极点相移=-arctan （f/fp）零点相移=arctan （f/fz）假设直流增益为80dB（10-100Hz处的增益），100至到 1KHz增益减少了 20dB, 10
12、K-100KHz 增益减少20dB, 100K-1MHz增益减少40dB （斜率有-20dB/10倍频的变化）。图中可以看出 有3个POLE, 一个ZERO。1MHz处的增益是0dB，说明1MHz的小信号在此截止，此回 路的带宽就是1MHz。从这个波特图能看出这个系统稳定么？前面说了系统是否稳定主要看相位移量，而我们 只要看在0dB时的相移就可以了（图中是1MHz）。上图中有3个极点和1个零点，前两个极点产生-180度相移，零点产生90度相移，最 后一个极点在40dB到0dB处，斜率为-40dB/10倍频。根据极点相移公式-arctan （f/fp） =-arctan（10）=-1.47,换算
13、成角度为-84.3度。所以总的相移为-180+90-84.3=174.2度。前面说到 相位裕度等于 I -180+174.2 I =5.820.所以此回路不稳定。看似上面的分析比较复杂，其实是自动控制理论里面的传输函数和根迹图的概念.简单 的说，一个（线形）系统是否稳定（不会产生振荡）取决于它的传输函数的极点分布.（极点的实部 必须小于零），而且极点实部负数的绝对值越大，系统越稳定.我们就可以通过增加极点或是零 点来调节相位裕度，从而使系统达到稳定。调节LDO系统的稳定性，最常见的补偿方法是在系统中插入零点来取消相移和极点。 由于LDO已经就正常运行要求了一个输出电容器，因此使用输出电容器的E
14、SR通常就是最 简单也最廉价的生成零点的方法。等效串联电阻（ESR）是每个电容都具有的几个基本特性。 可以看为电阻和电容的串联等效电路。ESR C ；10125914输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，用来减少过量的负相移。增加系统的带宽， 使更稳定。零点处的频值：Fzero = 1/ （2nxCoutxESR）假设一个LDO系统在0dB时的截止频率是30kHz。在其输出端增加输出电容为10uF，输出 电容的ESR=1ohm。则在16kHz处产生零点。10129919图13.未经朴候的LDOifl益波特图图15.用ESR零点稳定LD。一般的LDO会由负载阻抗、输出容抗等自身产生一些极点。
15、图中有3个极点（具体 由来就不做分析，可由网络分析仪扫描出），但有1个Ppwr在0dB之后的频段，也就是带宽之外，可以不考虑。从上面两幅波特图的对比看出，第二张图增益曲线，当增加了输出电 容后，从80dB到0dB变得更平缓些。系统的带宽大概从40KHz增加到100KHz左右。相 位裕度也相应的增加。那么系统对ESR又有什么要求呢？比如此例中设ESR=20ohm，则零点频率会降低到 Fzero=800Hz，使系统的带宽增加到2MHz，从整个的波特图我们发现在100K到2MHz之 间又多了一个极点Ppwr。这就意味着系统又有了-90度的相移，零点就失去了其意义。那么 ESR是不是越小越好呢？设ES
16、R=50mohm。零点频率会降到320kHz。不用看就知道，系统 地稳定性基本没改变，因为系统的带宽就是40KHz，增加的零点频率为320KHz已经超出了 带宽。综上所述，在输出端加入输出电容是为了补偿LDO稳压器的。所以选择的电容ESR要 求要严格，首先要符合系统的回路频率特性，同时也要有较好的温度特性，不能随温度变化 而变化过大。频率响应也是重要的指标。这点钽电容是比较好的选择。(ESR是指在一定温 度下的某个频率下的最大阻值，厂商一般定义为25摄氏度100KHz)。三.LDO的相关参数1 .输出电压(Output Voltage)输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应 考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调
