LDO的基本構(gòu)架和工作原理

LDO，全稱低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator)，屬于線性電源，應(yīng)用時(shí)所需要的外接元件較少，一些型號的LDO只需在輸入端和輸出端各接一個(gè)濾波電容。如圖所示：

通過電阻R1、R2對輸出電壓進(jìn)行采樣，將采集的電壓與基準(zhǔn)電壓(期望輸出電壓值)進(jìn)行比較、放大，再通過PMOS管柵極(PNP三極管基極)反饋給輸入部分，通過調(diào)節(jié)晶體管的導(dǎo)通壓降進(jìn)行動(dòng)態(tài)的輸出穩(wěn)壓。

注意：

① 無論晶體管是PMOS還是PNP，一定要工作在線性區(qū)(放大狀態(tài))。

② 由于晶體管的導(dǎo)通壓降很小，輸入輸出電壓的差值可以降至很小，所以稱之為低壓差。

③ 負(fù)反饋的拓?fù)錄Q定了LDO的輸出電壓十分穩(wěn)定。

LDO在鋰電池充電器中的應(yīng)用

如上圖所示，在鋰電池充電器中，隨著鋰電池的使用時(shí)間增加，可能使得鋰電池的電壓逐漸降低，而應(yīng)用電路則需要一個(gè)穩(wěn)定的供電電壓，如2.5V，這樣，只需在鋰電池和應(yīng)用電路之間加入一個(gè)LDO，當(dāng)LDO的輸入電壓在工作電壓變化范圍內(nèi)時(shí)，LDO的輸出電壓都是穩(wěn)定的(2.5V)，此時(shí)就可以通過LDO的輸出電壓對應(yīng)用電路進(jìn)行供電。LDO的應(yīng)用范圍很廣，然后，現(xiàn)在的LDO仍然存在很多技術(shù)指標(biāo)上的不足，例如：Dropout電壓比較大，靜態(tài)電流比較大，轉(zhuǎn)換效率低，輸出電流較小等，為了彌補(bǔ)這些技術(shù)指標(biāo)的不足之處，LDO朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

(1)Dropout電壓越來越低;

(2)靜態(tài)電流越來越小;

(3)輸出電流越來越大;

(4)輸出噪聲越來越低;

(5)電容所需數(shù)量越來越少;

(6)附加功能越來越完善;

(7)封裝面積越來越小;

其中輸出大電流方向是LDO發(fā)展的一個(gè)重要方向，因此，本文主要研究LDO的大電流，高穩(wěn)定性方向。

LDO的基本構(gòu)架和工作原理

LDO是一種直流降壓型的線性穩(wěn)壓器，其在輸入電壓或者負(fù)載電流發(fā)生變化的情況下仍然可以保持穩(wěn)定的輸出電壓。

如今的LDO電路具有體積小，噪聲低，功耗低，價(jià)格低廉，使用方便等特點(diǎn)，但其基本的結(jié)構(gòu)比較簡單，包含了電壓基準(zhǔn)源(VREF)，誤差放大器(EA)，調(diào)整管(MPASS)，反饋電阻(Rl，R2)四個(gè)模塊，如下圖所示。其中：

電壓基準(zhǔn)源為誤差放大器提供了高精度的基準(zhǔn)電壓，誤差放大器、調(diào)整管以及反饋電阻組成了LDO的控制環(huán)路，當(dāng)輸入電壓或者負(fù)載電流變化的時(shí)候，輸出電壓VoUT也要做出相應(yīng)的變化，此時(shí)LDO通過它的控制環(huán)路的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用可以抑制輸出電壓Votrr的變化。

如圖下所示，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，通過反饋電阻R1，R2的分壓作用，反饋電壓VFB也相應(yīng)的降低，基準(zhǔn)電壓源于誤差放大器的反向輸入端提供了穩(wěn)定的參考電壓，反饋電壓VFB接誤差放大器的正向輸入端，誤差放大器的輸出電壓VEA相應(yīng)減小。

之后調(diào)整管MPASS的柵極電壓降低，柵源電壓差值增加，漏極電流增加，輸出電壓Votrr相應(yīng)增加，抑制了輸出電壓Votrr的降低，從而保持在穩(wěn)定的輸出。

誤差放大器用來比較輸出反饋取樣信號與基準(zhǔn)電壓，并將差值信號經(jīng)放大后，輸出到調(diào)整管的柵極，控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。其在LDO線性穩(wěn)壓器中與調(diào)整管一起可被看作跨導(dǎo)放大器，其跨導(dǎo)直接影響穩(wěn)壓器的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率特性。降低電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率需增大跨導(dǎo)，而這勢必會增大電路中的偏置電流。

但是還必須滿足低靜態(tài)電流流過的要求:LDO穩(wěn)壓器的輸出阻抗比較高，受負(fù)載的影響較大，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通常利用輸出電容的等效串聯(lián)阻抗(ESR)進(jìn)行頻率補(bǔ)償改善其穩(wěn)定性。

誤差放大電路通過采樣電阻得到與輸出電壓Vout成比例的反饋電壓Vfb，將Vfb與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，輸出一誤差放大信號Vdrive，從而控制調(diào)整管M1(PMOS管)柵極電位，實(shí)現(xiàn)對M1輸出電流的調(diào)節(jié)，使Vout穩(wěn)定;同時(shí)通過采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)頻率補(bǔ)償保證了穩(wěn)壓器工作的穩(wěn)定性。

在深度負(fù)反饋中，LDO線性穩(wěn)壓器的輸出電壓僅僅取決于控制環(huán)路的電阻比值和基準(zhǔn)電壓(VREr)，而與輸入電壓以及負(fù)載電流等其他參數(shù)的大小無關(guān)，在一定范圍的電源電壓下，若要增大LDO的輸出電壓，則需減小反饋系數(shù)(F)或增大基準(zhǔn)電壓(VREF)，這需要根據(jù)實(shí)際電路的輸出電壓要求來確定。

審核編輯：湯梓紅