大電流線性電源(LDO)原理的超詳細(xì)解讀

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上一篇文章介紹了PMOS結(jié)構(gòu)線性電源的基本工作原理，今天結(jié)合仿真介紹大電流LDO使用的NMOS 架構(gòu)基本工作原理，以及其他一些重要的LDO參數(shù)，包括PSRR、Dropout Voltage等。

1. NMOS LDO工作簡介

下圖是一個(gè)NMOS LDO的基本框圖，NMOS LDO一般也工作在飽和區(qū)（特殊時(shí)會(huì)在可變電阻區(qū)），所以Vg要大于Vs，因此NMOS LDO除了有Vin引腳，一般還會(huì)有個(gè)Vbias引腳來給MOS G極提供高壓驅(qū)動(dòng)源；或者只有一個(gè)Vin，而內(nèi)部集成了CHARGE BUMP來為G極提供高壓驅(qū)動(dòng)源。大體工作流程同PMOS LDO：當(dāng)Vout下降時(shí)，反饋回路中的Vfb也會(huì)下降，誤差放大器輸出端Vg就會(huì)增加，隨著Vg增加，Ids電流也增加，最終使得Vout又恢復(fù)到原始電平，狀態(tài)如下：

Vout↓——>Vfb↓——>Vg↑——Iout↑——>Vout↑

2. NMOS LDO詳細(xì)工作原理

下圖是某NMOS輸出特性曲線，讓我們結(jié)合上圖和下圖分析，當(dāng)Vout下降，Vin不變，則Vds=Vin-Vout，Vds增加，MOS工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)移到B；緊接著反饋回路開始工作，Vfb電壓減小，經(jīng)過誤差放大器后，Vg增加，那么Vgs=Vg-Vs，Vgs也增加，從下圖可以看到，隨著Vgs增加，MOS的電流Id逐漸上升，進(jìn)而使得Vout逐漸升高，MOS工作點(diǎn)由B轉(zhuǎn)移到C，LDO又回到原始工作電平。

3. NMOS LDO仿真結(jié)果

下圖是簡單的5V轉(zhuǎn)3.0V的NMOS LDO仿真圖以及仿真波形結(jié)果，橙色曲線是電壓，綠色曲線是電流，隨著負(fù)載端滑動(dòng)變阻器R4的變化，負(fù)載電流也在變，而輸出電壓基本穩(wěn)定在3.0V。

4. LDO 輸出電容你知道多少？

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，LDO的輸出電容原則上是要加的，但是如果對(duì)于成本有極致的考慮，在滿足一定要求時(shí)，這個(gè)電容其實(shí)是可以刪除的。

5. Dropout voltage

上文分析了PMOS LDO工作在恒流區(qū)（飽和區(qū)），DS之間有一定的壓差，此壓差常稱為dropout voltage（Vdo），所以LDO若想穩(wěn)定工作在飽和區(qū)，輸入輸出之間滿足一定的壓差，應(yīng)用中通常可以考慮在spec中預(yù)留25%的余量。比如下圖中在Iout=150mA時(shí)，不同Vout對(duì)應(yīng)的Vdo也不同。

6. 效率

效率此處不過多討論，LDO自身消耗的功率約等于壓差*電流，因此相同負(fù)載電流下，壓差越大，LDO功耗越高，所以壓差稍微低一些，有利于提高效率。

7. PSRR

LDO重要參數(shù)之一也是巨大優(yōu)點(diǎn)之一便是紋波小，即PSRR好，PSRR是電源抑制比，是LDO對(duì)輸入電源紋波的抑制程度，PSRR的絕對(duì)值越大越好?？碢SRR曲線有個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，左邊為LDO自身起主導(dǎo)作用，右邊為輸出電容起主導(dǎo)作用，PSRR性能好的LDO左邊的曲線會(huì)更高，加大輸出電容，右邊的曲線會(huì)升高。

LDO的基本原理與介紹可以告一段落了，而其內(nèi)部實(shí)際工作情況是非常復(fù)雜的，本文只起引導(dǎo)作用，希望能引起大家的共鳴或排解一些疑惑，歡迎關(guān)注我的公眾號(hào)：硬件工程師看海。里面會(huì)定期更新鮮的內(nèi)容。

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