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作者：Glenn Morita，ADI公司 低壓差穩壓器(LDO)看似簡單，但可提供重要功能，例如將負載與不干凈的電源隔離開來或者構建低噪聲電源來為敏感電路供電。 本簡短教程介紹了一些常用的LDO 相關術語，以及一些基本概念，如壓差、裕量電壓、靜態電流、接地電流、關斷電流、效率、直流輸入電壓和負載調整率、輸入電壓和負載瞬態響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。同時，為了方便理解，文中采用了示例和插圖。 設計過程中通常到后期才會進行LDO 選型，并且很少進行分析。本文所述的概念將使設計人員能夠根據系統要求挑選最佳的LDO。 壓差 壓差(VDROPOUT)是指輸入電壓進一步下降而造成LDO 不再能進行調節時的輸入至輸出電壓差。在壓差區域內，調整元件作用類似于電阻，阻值等于漏極至源極導通電阻(RDSON)。壓差用RDSON和負載電流表示為： VDROPOUT = ILOAD × RDSON RDSON 包括調整元件電阻、片內互連電阻、引腳電阻和線焊電阻，并可通過LDO 的壓差進行估算。例如，采用WLCSP 封裝時，ADP151 在200 mA負載下的最差情況壓差為200 mW，因此RDSON約為1.0 Ω。圖1 所示為LDO 的原理示意圖。在壓差模式下，可變電阻接近于零。LDO 無法調節輸出電壓，因此輸入電壓和負載調整率、精度、PSRR 和噪聲等其他參數都沒有意義。 
圖1. LDO 的原理示意圖 圖2 顯示了3.0 V ADM7172 LDO的輸出電壓與輸入電壓之間的關系。2 A 時的壓差通常為172 mW，因此RDSON 約為86 mΩ。壓差區域從約3.172 V 的輸入電壓下降到2.3 V。低于2.3 V 時，該器件不能正常工作。負載電流越小，壓差也會按比例下降：在1 A時，壓差為86 mV。低壓差可最大程度地提高調節器的效率。
圖2. 3.0 V ADM7172 LDO的壓差區 裕量電壓 裕量電壓是指LDO 滿足其規格所需的輸入至輸出電壓差。數據手 冊通常將裕量電壓作為指定其他參數時所用的條件。裕量電壓通常約為400 mV 至500 mV，但有些LDO 需要高達1.5 V 的裕量電壓。裕量電壓不應與壓差混淆，因為只有當LDO 在壓差模式下工作時這兩者才相同。 靜態電流和接地電流 靜態電流(IQ)是指當外部負載電流為零時為LDO 的內部電路供電所需的電流。它包括帶隙基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流和過溫檢測等電路的工作電流。靜態電流由拓撲結構、輸入電壓和溫度確定。 IQ = IIN（空載時） 當輸入電壓在2 V 和5.5 V 之間變化時，ADP160 LDO 的靜態電流幾乎恒定不變，如圖3 所示。
圖3. ADP160 LDO的靜態電流與輸入電壓之間的關系 接地電流(IGND)是指輸入電流與輸出電流之差，并且必然包括靜態電流。低接地電流可最大程度地提高LDO 效率。 IGND= IIN– IOUT 圖4 顯示了ADP160 LDO 的接地電流變化與負載電流之間的關系。
圖4. ADP160 LDO接地電流與負載電流之間的關系 對于高性能CMOS LDO，接地電流通常遠小于負載電流的1%。接地電流隨負載電流的增加而增加，因為PMOS 調整元件的柵極驅動必須增加，以補償因其RON 引起的壓降。在壓差區域內，在驅動器級開始飽和時，接地電流也會增加。對于要求具有低功耗或小偏置電流的應用而言，CMOS LDO 至關重要。 關斷電流 關斷電流是指輸出禁用時LDO 消耗的輸入電流。參考電路和誤差放大器在關斷模式下都不上電。較高的漏電流會導致關斷電流隨溫度升高而增加，如圖5 所示。
圖5. ADP160 LDO關斷電流與溫度之間的關系 效率 LDO 的效率由接地電流和輸入/輸出電壓確定： 效率 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100% 若需獲得較高的效率，必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流。此外，還必須最大程度地縮小輸入和輸出之間的電壓差。輸入至輸出電壓差是確定效率的內在因素，與負載條件無關。例如，采用5 V 電源供電時，3.3 V LDO 的效率從不會超過66%，但當輸入電壓降至3.6 V 時，其效率將增加到最高91.7%。LDO 的功耗為 (VIN – VOUT) × IOUT. 直流負載調整率 負載調整率衡量LDO 在負載條件變化時仍保持額定輸出電壓的能力。負載調整率定義如下（如圖6 所示）： 負載調整率 = ∆VOUT/∆IOUT
圖6. ADM7172 LDO輸出電壓和負載電流之間的關系 直流輸入電壓調整率 輸入電壓調整率是衡量LDO 在輸入電壓變化時仍保持規定輸出 電壓的能力。輸入電壓調整率定義為： 輸入電壓調整率 = ∆VOUT/∆VIN 圖7 顯示了不同負載電流條件下ADM7172 的輸出電壓與輸入電壓之間的關系圖。輸入電壓調整率隨著負載電流增加而變差，原因是LDO 的總環路增益不斷降低。此外，LDO 的功耗也隨輸入至輸出電壓差增加而增加，這會導致結溫升高而使帶隙電壓和內部失調電壓降低。
圖7. ADM7172 LDO輸出電壓和輸入電壓之間的關系 直流精度 整體精度會考慮輸入電壓和負載調整率、基準電壓漂移和誤差放大器電壓漂移的影響。穩壓電源上的輸出電壓變化主要是基準電壓源和誤差放大器的溫度變化造成的。如果使用分立電阻來設置輸出電壓，這些電阻的容差可能是影響整體精度的最主要因素。輸入電壓和負載調整率與誤差放大器失調對整體精度的影響通常為1%至3%。 例如，可利用下列工作特性來計算3.3 V LDO 在0°C 至125°C 溫度范圍內的總精度：電阻溫度系數為±100 ppm/°C，采樣電阻容差為±0.25%，因負載調整和輸入電壓調整而引起的輸出電壓變化分別為±10 mV 和±5 mV，并且基準電壓源的精度為1%。 溫度導致的誤差 = 125°C × ±100 ppm/°C = ±1.25% 采樣電阻導致的誤差 = ±0.25% 負載調整率導致的誤差 = 100% × (±0.01 V/3.3 V) = ±0.303% 輸入電壓調整率導致的誤差 = 100% × (±0.005 V/3.3 V) = ±0.152% 基準電壓源導致的誤差 = ±1% 最差情況誤差假定所有誤差都沿同一方向變化。 最差情況誤差 = ±(1.25% + 0.25% + 0.303% + 0.152% + 1%) = ±2.955% 典型誤差假定隨機變化，因此采用此誤差的平方根(rss)。 典型誤差 = ±√(1.252 + 0.252 + 0.3032 + 0.1522 + 12) = ±1.655% LDO 從不會超過最差情況誤差，而rss 誤差是最有可能的誤差。誤差分布會以rss 誤差為中心并擴展到在尾部包括最差情況誤差。 負載瞬態響應 負載瞬態響應是指負載電流階躍變化時的輸出電壓變化。它與輸出電容值、電容的等效串聯電阻(ESR)、LDO 控制環路的增益帶寬以及負載電流變化的大小和速率有關。 負載瞬態的變化速率會對負載瞬態響應產生顯著影響。如果負載瞬態非常緩慢，比如100 mA/μs，LDO 的控制環路或許能夠跟蹤該變化。但是，如果負載瞬態較快，環路無法進行補償，則可能會出現異常行為，例如因低相位裕量而導致過大的振鈴。/p> 圖8 顯示了ADM7172 以3.75 A/μs 的變化速率對1 mA 至1.5 A 負載瞬態的響應曲線。1.5 μs 的0.1%恢復時間和最小振鈴表明其具有良好的相位裕量。
圖8. ADM7172 負載瞬態響應。400 ns 內產生1 mA 至1.5 A 的負載階躍（紅線）。輸出電壓（藍線） 線路瞬態響應 輸入電壓瞬態響應是指輸入電壓階躍變化時的輸出電壓變化。它與LDO 控制環路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和速率有關。 圖9 顯示了ADM7150 對2 V 輸入電壓階躍變化的響應。輸出電壓偏差也顯示了環路帶寬和PSRR 的特性（參見下一部分）。對應于1.5 μs 內的2 V 變化，輸出電壓變化約為2 mV，表明約100 kHz時PSRR 約為60 dB。 同樣，跟在負載瞬態下一樣，輸入電壓的變化速率也對輸入瞬態響應有較大的影響。當輸入電壓緩慢變化（在LDO 的帶寬內只出現一個凹陷）時，可隱藏振鈴或其他異常行為。
圖9. ADM7150 線路瞬態響應。1.5 μs 內產生5 V 至7 V 的線路階躍（紅線）。輸出電壓（藍線） 電源抑制 簡單地說，PSRR 衡量電路抑制電源輸入端出現的外來信號（噪聲和紋波），使這些干擾信號不至于破壞電路輸出的性能。PSRR 定義為： PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT) 其中，VEIN 和VEOUTT 分別是輸入端和輸出端出現的外來信號。 對于ADC、DAC 和放大器等電路，PSRR 適用于為內部電路供電的輸入端。對于LDO，輸入電源引腳為內部電路供電的同時也為輸出電壓供電。PSRR 具有與直流輸入電壓調整率相同的關系，但包括整個頻譜。 100 kHz 至1 MHz 范圍內的電源抑制非常重要，因為LDO 經常跟高效的開關電源配合使用來為敏感的模擬電路供電。 LDO 的控制環路往往是確定電源抑制性能的主要因素。同時大容量、低ESR 的電容也對電源抑制性能非常有用，特別是在頻率超過控制環路增益帶寬的情況下。 PSRR 與頻率的關系 PSRR 不是通過單一值來定義，因為它與頻率相關。LDO 由基準電壓源、誤差放大器，以及MOSFET 或雙極性晶體管等功率調整元件組成。誤差放大器提供直流增益以便調節輸出電壓。誤差放大器的交流增益特性在很大程度上決定了PSRR。典型LDO 在10 Hz 時可具有高達80 dB 的PSRR，但在數十kHz 時則可降至僅20 dB。 圖10 顯示了誤差放大器的增益帶寬和PSRR 之間的關系。這是一個簡化的示例，圖中忽略了輸出電容和調整元件的寄生效應。PSRR 為開環增益的倒數，直到3 kHz 時增益開始下降為止。然后，PSRR 以20 dB/十倍頻程的速率降低，直到3 MHz 時達到0 dB。
圖10. LDO 增益與PSRR 的簡化關系圖 圖11 顯示了用來表征LDO PSRR 的三個主要頻域：基準電壓PSRR 區、開環增益區和輸出電容區。基準電壓PSRR 區取決于參考放大器的PSRR 和LDO 的開環增益。理想情況下，參考放大器需與電源擾動完全隔離，但實際上，參考放大器只需抑制最高數十Hz 的電源噪聲，因為誤差放大器反饋電路能確保在低頻時具有高PSRR。
圖11. 典型LDO PSRR 與頻率的關系 在大約10 Hz 以上的第二區中，PSRR 主要由LDO 的開環增益決定。此區中的PSRR 取決于誤差放大器的增益帶寬（最高為單位增益頻率）。在低頻時，誤差放大器的交流增益等于直流增益。增益保持不變，直至達到3 dB 截止頻率。在高于3 dB 截止頻率下，誤差放大器的交流增益隨著頻率增加而降低，速率通常為20 dB/十倍頻程。 在誤差放大器的單位增益頻率以上，控制環路的反饋對PSRR 沒有影響，此時PSRR 由輸出電容和輸入與輸出電壓之間的任何寄生效應確定。在這些頻率下，PSRR 主要受輸出電容的ESR，ESL以及電路板布局布線的影響。為了降低任何高頻諧振的影響，必須特別注意布局布線。 PSRR 與負載電流的關系 負載電流影響誤差放大器反饋環路的增益帶寬，因此也會影響PSRR。在低負載電流下（通常小于50 mA），調整元件的輸出阻抗很高。由于控制環路的負反饋，LDO 的輸出近乎是理想的電流源。輸出電容和調整元件形成的極點出現在相對較低的頻率，因此，PSRR 在低頻條件下往往會提高。低電流時輸出級的高直流增益往往也會提高誤差放大器單位增益點以下各頻率的PSRR。 在高負載電流下，LDO 輸出不能近似成一個理想電流源。調整元件的輸出阻抗會下降，從而導致輸出級的增益降低，DC 至反饋環路單位增益頻率之間的PSRR 會有所下降。當負載電流增加時，PSRR 會急劇下降，如圖12 所示。當負載電流從400 mA 增加到800 mA 時，ADM7150 的PSRR 在1 kHz 時降低了20 dB。 輸出級帶寬隨輸出極點頻率的升高而增加。在高頻條件下，PSSR應會隨帶寬增加而提高，但實際上，由于總環路增益降低，高頻PSRR 可能不會提高。一般而言，輕載時的PSRR 優于重載時。
圖12. ADM7150 電源抑制與頻率的關系（VOUT = 5 V，VIN = 6.2 V） PSRR 與LDO 裕量的關系 PSRR 也與輸入到輸出電壓差（即裕量）有關。對于固定裕量電壓，PSRR 隨著負載電流的增加而降低；這在高負載電流和小裕量電壓時尤其明顯。圖13 顯示了5 V ADM7172 在2 A 負載下PSRR 與裕量電壓之間的關系差異。 隨著負載電流增加，調整元件（ADM7172 的PMOSFET）脫離飽和狀態，進入線性工作區，其增益相應地降低。這導致LDO的總環路增益降低，因而PSRR 下降。裕量電壓越小，增益降幅越大。在某些小裕量電壓下，控制環路根本沒有增益，PSRR 幾乎會降至0。 導致環路增益降低的另一個因素是調整元件的非零電阻RDSON。負載電流在RDSON 上引起的任何壓降都會導致調整元件有效裕量降低。例如，如果調整元件是一個1 Ω 的器件，當負載電流為200 mA時，裕量將降低200 mV。當LDO 在1 V 或更低的裕量電壓下工作時，估算PSRR 時必須考慮此壓降。 在壓差模式下，PSRR 是由RDSON 和輸出電容形成的極點決定的。在非常高的頻率下，PSRR 會受輸出電容ESR 與RDSON 的比值限制。
圖13. ADM7172 電源抑制與裕量的關系（VOUT = 5 V，2 A 負載電流） 比較LDO PSRR 規格 比較LDO 的PSRR 規格時，應確保測量是在相同的測試條件下進行的。許多舊式LDO 僅指定120 Hz 或1 kHz 時的PSRR，而未提及裕量電壓或負載電流。至少，電氣技術規格表中的PSRR 應針對不同的頻率列出。為使比較有意義，最好應使用不同負載和裕量電壓下的PSRR 典型工作性能曲線。 輸出電容也會影響高頻時的LDO PSRR。例如，1 μF 電容的阻抗是10 μF 電容的10 倍。在頻率高于誤差放大器的單位增益交越頻率時，電源噪聲的衰減與輸出電容有關，此時電容值就特別重要。比較PSRR 數據時，輸出電容的類型和值必須相同，否則比較無效。 輸出噪聲電壓 輸出噪聲電壓是指在恒定輸出電流和無紋波輸入電壓條件下，給定頻率范圍（通常為10 Hz 或100 Hz 至100 kHz）上的RMS 輸出噪聲電壓。LDO 的主要輸出噪聲源是內部基準電壓源和誤差放大器。現代LDO 采用數十nA 的內部偏置電流工作，以便實現15μA或更低的靜態電流。這些低偏置電流要求使用高達GΩ 級的偏置電阻。輸出噪聲的典型范圍為5 μ V r ms 至100 μV rms。圖14 顯示了ADM7172 輸出噪聲與負載電流之間的關系。 ADM7172 等部分LDO 可使用外部電阻分壓器來設置初始設定點以上的輸出電壓，使初始設定為1.2 V 的器件可提供3.6 V 輸出電壓。對于這樣的應用，可向該分壓器添加降噪網絡，以便使輸出噪聲恢復到接近初始固定電壓的水平。
圖14. ADM7172 輸出噪聲與負載電流之間的關系 LDO 輸出噪聲的另一種表示方式是噪聲頻譜密度。在寬頻率范圍內繪制給定頻率下1 Hz 帶寬上的rms 噪聲曲線圖，然后使用該信息來計算給定頻率帶寬下的rms 噪聲。圖15 顯示了ADM7172 在1 Hz 到10 MHz 范圍內的噪聲頻譜密度。
圖15. ADM7172 噪聲頻譜密度與負載電流之間的關系 結論 LDO 看似簡單實則非常重要。若要正確運用這些LDO 并獲得最佳結果，必須綜合考慮很多因素。對常用LDO 術語有個基本了解后，設計工程師便可有效運用數據手冊來確定對于設計而言最為重要的參數。 參考文獻 線性穩壓器 Ken Marasco，"在系統中成功運用低壓差穩壓器。" 模擬對話，第43 卷第3 期，2009 年。 Morita, Glenn and Luca Vassalli，"LDO 的運行困境：低裕量和最小 負載。" 模擬對話，第48 卷第3 期，2014 年。 Morita, Glenn，"可調節輸出低壓差穩壓器的降噪網絡." 模擬對話，第48 卷第1 期，2014 年。 Morita, Glenn，"低壓差調節器——為什么選擇旁路電容很重要." 模擬對話，第45 卷第1 期，2011 年。 Patoux, Jerome，"低壓差穩壓器." 模擬對話 ，第41 卷第2 期， 2007 年。 關于作者 Glen Morita 于1976 年獲得華盛頓州立大學電氣工程學士(BSEE)學位。畢業后加入Texas Instruments 公司，期間參與研制旅行者號太空探測用紅外分光儀。之后，Glenn 一直從事儀器儀表、軍用和航空航天以及醫療行業的裝置設計工作。2007 年，他加入ADI 公司，成為華盛頓州貝爾維尤電源管理產品團隊的一名應用工程師。他擁有25 年以上的線性和開關模式電源設計經驗，所設計電源的功率范圍從微瓦到千瓦不等。Glenn擁有兩項利用體熱能量給植入式心臟除顫器供電方面的專利，以及另外一項延長外部心臟除顫器電池使用壽命的專利。閑暇時，他喜歡收集礦石、雕琢寶石、攝影和逛國家公園。 |
