一、简介

LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器)。这与传统的线性稳压器相比。78XX输入电压至少比输出电压高2V~3V，否则不能正常工作。但在某些情况下，这种情况显然太苛刻了，比如5V转3.3V，输入输出之间的压差只有1.7v，显然，这不符合传统线性稳压器的工作条件。针对这种情况，芯片制造商们才研发出了LDO类电压转换芯片。

二、分类

PMOS LDO：常见的LDO它由P管组成，因为LDO效率相对较低，以一般不会走大电流。

NMOS LDO：对某些大电流低压差的需求，NMOS LDO应运而生。

传统PNP LDO：正输出电压LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称 PNP。晶体管允许饱和，因此稳压器可以有非常低的压降电压，通常是 200mV 左右。
传统NPN LDO：使用 NPN 传统的复合电源晶体管线性稳压器的压降 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为其传输设备，其运行模式和正输出 LDO 的 PNP设备类似。

三、工作原理

LDO=low dropout regulator，低压差线性稳压器。

低压差：输出压降相对较低，如输入3.3V，输出可达3.2V。
线性： LDO内部的MOS管道在线性电阻中工作。
稳压器：说明了LDO用于稳压电源。

3.1 内部结构

以PMOS LDO为例：

LDO内部基本上由四个部分组成分压取样电路、基准电压、放大电路的误差和晶体管调节电路。

分压取样电路：通过电阻R1和R收集输出电压；
基准电压：通过bandgap(带隙电压基准)产生的目的是对基准的温度变化影响较小；
误差放大电路：将收集到的电压输入到比较器的反向输入端，与正向输入端的基准电压（即预期输出电压）进行比较，然后放大比较结果；
晶体管调节电路：将放大的信号输出到晶体管的控制极(即PMOS管的栅极或PNP三极管的基极)可以通过放大信号(电流)控制晶体管的导电电压，这是一个负反馈调节电路。

3.2 负反馈流程

以PMOS LDO为例：

反馈回路

当输出电压 V o u t V_{out} Vout当两个串联分压电阻两端的电压因负载变化或其他原因而下降时，A点电压也会下降，A点电位和基准电压 V R E F V_{REF} VREF与电位相比，误差放大器会减少其输出，使PMOS管G极电压下降，PMOS管 V S V_{S} VS电压不变，进而使得 ∣ V G S ∣ |V_{GS}| ∣VGS∣的压差增加（我们用Vgs和Vds的绝对值描述PMOS更直观）， I S D I_{SD} ISD会增加，输出电流 I o u t I_{out} Iout增加就会使得输出电压 V o u t V_{out} Vout上升，完成一次反馈控制，使得 V o u t V_{out} Vout又回到正常电位。过程如下： V o u t ↓ — — > V A ↓ — — > V G ↓ — — > I o u t ↑ — — > V o u t ↑ V_{out}↓——>V_{A}↓——>V_{G}↓——>I_{out}↑——>V_{out}↑ Vout↓——>VA↓——>VG↓——>Iout↑——>Vout↑
当输出电压 V o u t V_{out} Vout增大时，A点电压 V A V_{A} VA增大，放大器输出电压增加，PMOS管的G极电压 V G V_{G} VG增大， ∣ V G S ∣ |V_{GS}| ∣VGS∣减小，PMOS的输出电流 I S D I_{SD} ISD减小，输出电压 V o u t V_{out} Vout减小。过程如下： V o u t ↑ — — > V A ↑ — — > V G ↑ — — I > o u t ↓ — — > V o u t ↓ V_{out}↑——>V_{A}↑——>V_{G}↑——I>_{out}↓——>V_{out}↓ Vout↑——>VA↑——>VG↑——I>out↓——>Vout↓

PMOS驱动的反馈

上面的描述中有两个地方格外介绍下，其一是，当 V A V_{A} VA小于 V R E F V_{REF} VREF时，G点的电位就会减小，通俗点理解，运算放大器总是倾向于使得正（+）负（-）输入端的电压相等，因此，当 V A V_{A} VA小于 V R E F V_{REF} VREF时，运放就会减小输出。
另一点是，G电位下降后为什么 I o u t I_{out} Iout就上升呢？这就涉及到PMOS工作状态，下图是PMOS的输出特性曲线，或者叫做伏安特性曲线，是PMOS本身的一个特性，根据G、D、S电压不同，MOS会工作在不同的区域，即可变电阻区，饱和区(恒流区)，截至区。LDO中的MOS是工作在恒流区的。

顺着下图绿色箭头指示方向 ∣ V G S ∣ |V_{GS}| ∣VGS∣逐渐上升， I D I_{D} ID跟着 ∣ V G S ∣ |V_{GS}| ∣VGS∣上升而上升，而这段区域内不管 V D S V_{DS} VDS怎么变换 I D I_{D} ID基本不变，换句话说，恒流区内， I D I_{D} ID只受 ∣ V G S ∣ |V_{GS}| ∣VGS∣控制，因此基于MOS的放大器有时也被叫做跨导放大器。这就是PMOS LDO工作原理的核心部分。

LDO工作原理就一句话：通过运放调节P-MOS的输出。

四、主要参数

输入输出压差（Dropout Voltage）：对于LDO来说，输入电压是高于输出电压的，但是两者压差一般都是很小，LDO的输入电流几乎等于输出电流，因此压差越大，效率越低（本身吃掉了很多能量电流×晶体管压降），压差越小，LDO电压转换效率越高以及能量损耗越小。

压差( V D R O P O U T V_{DROPOUT} VDROPOUT)是指输入电压进一步下降而造成 LDO 不再能进行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（ R D S O N RDS_{ON} RDSON）。

压差用 R D S O N RDS_{ON} RDSON和负载电流表示为： V D R O P O U T = I L O A D × R D S O N V_{DROPOUT} = I_{LOAD}×RDS_{ON} VDROPOUT=ILOAD×RDSON

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。
噪声（Noise）：不同于PSRR，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。
静态电流（Iq）：静态电流（Quiescent Current）是外部负载电流为0时，LDO内部电路供电所需的电流。内部电路包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测电路。这个电流经过从LDO的GND流出。

在一些电池供电低功耗场景下，要考虑LDO本身自身消耗的静态电流。休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。一般LDO芯片的静态电流的大小与芯片的其他性能成反关系，如低噪声，高电源电压抑制比，动态性能好的LDO静态电流都偏大一些。低IQ的LDO做的好的话＜100nA。

五、和DCDC区别

LDO外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容； DC-DC外围器件多，电路复杂，成本高；

LDO负载响应快，输出纹波小； DC-DC负载响应比LDO慢，输出纹波大；

LDO效率低，输入输出压差不能太大； DC-DC效率高，输入电压范围宽泛；

LDO只能降压； DC-DC支持降压和升压；

LDO和DC-DC的静态电流都小，根据具体的芯片来看； LDO输出电流有限，最高可能就几A，且达到最高输出和输入输出电压都有关系； DC-DC输出电流高，功率大；

LDO噪声小； DC-DC 开关噪声大，为了提高开关DC-DC的精度，很多应用会在DC-DC后端接LDO；
LDO分为可调和固定型； DC-DC一般都是可调型，通过FB反馈电阻调节；

六、应用电路

6.1 ACDC电路

最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。

在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。

6.2 蓄电池电路

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化，为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器。

低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命，同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。

6.3 开关性稳压电源电路

众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

6.4 共电池电路

在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。

为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态，为此，要求线性稳压器具有使能控制端。

有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统。

6.5 附加功能

通/断控制功能，允许使用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出，使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。

输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。

故障标记输出功能,当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时，LDO能输出故障标记信号，微处理器在接收到此信号后，可及时完成数据存储等项工作。
瞬变电压保护功能，将LDO用于汽车电子设备时，需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护，一旦输出端出现瞬变电压，立即将输出关断，等瞬变电压过去之后，又迅速恢复正常工作。
跟踪能力某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力，其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化，并及时调整自己的输出电压值，以减小各路输出之间的相对变化量。
排序，所谓排序，就是在多个稳压电源构成的电源系统中，使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。

七、选取原则

电压类型：确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。正电压的器件较多，负电压的器件可以考虑LM2991（较多大公司使用）。
输入电压：稳压器输入端可以输入的电压范围（注意输入电压需要降额80％考虑）。
输出电压：稳压器输出端的输出电压值，不要选有ADJ功能的，这样节省器件，降低干扰。
输出电流：稳压器输出端的最大输出电流值（至少留25%裕量）。
压差：确定压差是否合适，一定要查看规格书上，对应最大电流的最小压差要求。
封装：单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求。
线性调整率：稳压器输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。
负载调整率：是指在给定负载变化下的输出电压的变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。
电源纹波抑制比(PSRR)：表示稳压器抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力。线性调整率只有在直流电时才需要考虑，但是电源抑制比必须在宽频率范围上考虑。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的参量，PSRR越大，输出信号受到电源的影响越小。如果用在低噪声场合，一定要选择高PSRR（80dB以上）的LDO，建议在80dB以上。
瞬态响应：表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化，它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力，也起到了高频旁路的作用。
静态电流(Iq)：又叫接地电流，是通路元件的偏流和驱动电流的组合，通常保持尽可能低的水平。静态电流越大，稳压器的效率越低。如果是电池供电，对续航要求很高，一定要选择Iq低的LDO。
最大耗散功率：为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏，LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率，否则可能损坏LDO芯片。
输出电容以及ESR值：如果器件对输出电容以及ESR有特殊要求，考虑公司现有器件是否满足要求（几乎每一家的LDO，CIN和COUT都要求1uF以上，ESR越低越好，最好小于100mΩ，但也不能太小，低于几个mΩ也可能使LDO工作不稳定）。

• 由 Leung 写于 2021 年 10 月 28 日

• 参考：电源系列1：LDO 基本原理（一）　　　　挑选线性稳压器 (LDO) 　　　　电源系统优化设计，低压差稳压器（LDO）如何选型？　　　　彻底弄明白LDO 　　　　LDO选型参考(原理、参数) 　　　　LDO和DC-DC有什么不同？　　　　这篇文章把DC-DC和LDO的原理和区别，抓透了！

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电子电路学习笔记（14）——LDO(低压差线性稳压器)