LDO（线性稳压器）-理论篇

一、LDO工作原理

	以可调型线性稳压器为例，其总体框架如下：

	线性稳压器基本上由输入、输出、接地三部分组成，输出电压可调的线性稳压器则多了用来反馈输出电压的反馈引脚，如上图，从外部看，LDO有三个对外接口，分别为输入电压、输出电压以及GND。

	要理解LDO内部运行原理，可以从电阻分压开始，如上图，当需要不同的输出电压时，可以调整R2的阻值以改变R1上的分压，进而获取到不同的电压。但是这种可调电阻需要手动调节，并不方便，在LDO内部使用调整管来代替可变电阻，其内部等效电路图如下：

	LDO基本上由误差放大器（误差检测用放大器）、基准电压源、输出晶体管组成，从整个结构来看，其实是构成了负反馈回路。
	下面以调整管采用PMOS为例讲述调整过程：
	1、当输出电压下降时，反馈回误差放大器同向端的电压减小，误差放大器输出减小（即G极电压减小），|VGS|增大，Isd增大，流过负载的电流增大，最终使得输出电压增加，完成一次反馈，稳定输出电压；
	2、当输出电压上升时，反馈回误差放大器同向端的电压增大，误差放大器输出增大（即G极电压增大），|VGS|减小，Isd减小，流过负载的电流减小，最终使得输出电压减小，完成一次反馈，稳定输出电压。
	假设调整管采用了NMOS，则反馈点应该接在运放的反相输入端，只有这样才能构成负反馈。
	关于MOS工作在哪个区，个人认为应该是工作在饱和区，首先看MOS的输出特性曲线

	在截止区，几乎没有电流通过，漏源两端电阻无穷大，因此并不会工作在截止区；
	在线性区，需要VDS << VGS – VGS(th)，在线性区MOS管完全导通，其电阻Rds(on)很小很难分得电压，因此一般也不会工作在线性区。只有在极小压差的情况下会工作在可变电阻区（线性区）。
	在饱和区域中，输出是平坦或饱和，IDS只会随着VDS的增大而略有增加，等效电阻较大，可通过调节VGS来控制RDS大小，因此LDO一般情况下都会工作在饱和区。

	那么LDO输出电压的精度如何保证，最根本的就是要保证参考电压的精度，其次是电阻的精度。

极简表述可采用如下方式：

	LDO的降压原理实际上是通过两个电阻的分压实现，当输入电压固定，需要不同的输出电压时，通过改变可变电阻的阻值获得不同的输出电压。在LDO内部，可用MOS代替可变电阻，通过改变VGS的大小进而改变Rds的阻值。LDO等效电路基本上由误差放大器，基准电压源和输出晶体管构成，误差放大器构成的是反馈回路，会连续比较来自输出电压的反馈电压和基准电压，并控制输出功率晶体管使它们的差为零，从而保持输出电压恒定。

二、LDO参数

2.1 输入输出电压范围

2.1.1输入电压范围

	输入电压范围要确认两个项目的值。一个是绝对最大额定值的输入电压范围，另一个是工作输入电压范围或推荐输入电压范围。
	绝对最大额定值所显示的范围，是指“输入电压可以施加到这个限度”的范围，并不意味着在此范围内都可以正常工作。
	工作输入电压范围或推荐输入电压范围是意味着“只要在该范围内使用即可正常工作”的输入电压范围，因此请参考这种参数进行设计。

2.1.2 输出电压范围

	输出电压范围是输出可调型的项目，输出固定型中没有该项目。
	输出电压范围的最低电压基本上是其IC的基准电压VREF。
	最大可输出电压是最大输入电压减去压差后的电压。实际使用条件的最大输出电压是实际输入的最大电压减去压差后的值。

2.2 最大输出电流

	LDO能提供的最大电流，选型时需求电流应小于这个值。

2.3 压差（压降）

	压降电压VDO是指为实现正常稳压（保证VOUT输出电压、电流情况下），输入电压VIN必须高出所需输出电压VOUT(nom)的最小压差。

	输入电压最小要能达到所需输出电压加上最小压差，如果输入电压达不到这个要求的话，LDO将停止调节，无法输出所需电压。

	当输出 200mA 电流时，TPS799 的最大压降电压指定为 175mV。只要输入电压为 3.475V 或更高，就不会影响调节过程。但是，输入电压降至 3.375V 将导致 LDO 以压降状态工作并停止调节。虽然应将输出电压调节为 3.3V，但 TPS799 没有保持稳压所需的余量电压。因此，输出电压将开始跟随输入电压变化。
	所以，在进行LDO选型时一定要关注最小压差，评估该LDO能否实现需要的降压功能。
	同时，LDO的效率基本由压差决定。

\[\eta=\frac{V_{out} \times I_{out}}{V_{in} \times I_{in}} \]

	输入电流与输出电流几乎相等，可以理解为电阻串联分压，流过电阻的电流是相等的，因此最终效率为

\[\eta=\frac{V_{out} }{V_{in} } \]

	因此，LDO的效率主要取决于压差。

2.4 热计算

	LDO的特性是通过将多余的功率转化为热量来实现稳压，因此，该集成电路非常适合低功耗或VIN与VOUT之差较小的应用。

  选择LDO时要考虑的最重要特性之一是其热阻 (\(R_{\theta JA}\))。\(R_{\theta JA}\)呈现了LDO采用特定封装时的散热效率。\(R_{\theta JA}\)值越大，表示此封装的散热效率越低，而值越小，表示器件散热效率越高。（类比电阻，电阻是阻碍电流，电阻越大，流过的电流越小；热阻是阻碍热量，热阻越大，热量越难散出去）
热阻与结温的关系为：

2.5 线性调整率

	线性调整率表征的是当输入电压发生波动时，输入电压的变化情况。

	如上图，对于1.5us内的2V变化，输出电压变化约2mV。这个指标对输出纹波有影响，越小越好。

2.6 负载调整率

	负载调整率表征的是输出电压随负载需求电流变化的情况。它与输出端的电容值，电容的ESR，LDO控制环路的增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关。

	这个指标对输出纹波有影响，越小越好。

2.7 电源抑制比

	表示LDO对VIN上的噪声的抑制能力。

	衰减程度越高，以分贝表示的 PSRR 值将越大。例如如果为60dB，则表示输入的纹波可降至1/1000。100mV的纹波可以降至0.1mV。

2.8 关断电流/静态电流

	关断电流是指设备处于关闭状态但系统仍与电池相连的情况下所消耗的电流。
	静态电流IQ是系统处于待机模式且在轻载或空载条件下所消耗的电流。
	根据内部原理，静态电流应该时待机时运放、参考电压以及分压电阻（不可调型）所需的电流，越小越好。

2.9 LDO选型

	1、对于常规应用，会关注输入、输出电压范围，最大输出电流、最小压差，此外会考虑热阻和最大结温，需估算使用场景下最大功耗评估是否有超结温的风险;
	2、对于纹波噪声要求高的场景，还会关注线性调整率，负载调整率，电源抑制比，噪声大小和输出精度；
	3、对于休眠耗电敏感的产品，还会关注静态电流与关断电流；
	4、对于成本敏感的场景，还会关注成本和封装大小。

三、NLDO与PLDO

	前面讲解最小压差参数时讲到，最小压差决定了能实现的压降情景（比如3.3V转3.2V），那么最小压差由LDO架构决定。下面分别介绍下调整管由PMOS和NMOS构成的LDO差异。
	NMOS与PMOS由于工艺的原因，在相同栅源导通电压（绝对值）下，NMOS的导通程度更高（Rds更小）。

3.1 PLDO

	运放的供电电压由输入电压提供，运放最小输出0V，因此MOS的栅源导通电压最大为输入电压（即达到最大的导通电压），Rds最小。因此在PMOS架构下，随着输入电压的增大，能实现更低的压差。

3.2 NLDO

	NMOS的架构下，栅源两级的最大电压恰好为Vin-Vout（即压差），在该架构下很难实现超低压差（例如3.3V转3.2V）的情况，因为导通电压不够，Rds会很大。
	因此，如果要采用NMOS架构实现低压差的情况，运放的输入电压可采用偏置电压或者利用电荷泵抬高输入电压。其最终目的就是提升VGS。

四、LDO优缺点

优点：
  1、成本低，设计简单，仅需配置输入输出电容便可工作
  2、动态响应好
  3、输出纹波小

缺点：
  1、效率低，效率取决于压差，不适合压差大的应用，发热严重
  2、输出电流小，不适合大电流应用

五、LDO手册阅读

一、输入电压范围

二、输出电压范围


三、最大输出电流

四、最小压差
 如果理解了LDO内部工作原理，那就应该清楚，这个最小压差实际上就是MOS管漏源两级的电压（或者是三极管CE之间的电压），这个电压是随着流过的电流而存在差异的，在栅源电压（BE电压）不变的情况下，流过的电流越大，压差越大。在进行选型时需要根据需求电流进行评估，如果已经高于手册的测试条件，那么设计的压差一定不能小于手册要求的最小压差。

五、热阻与结温
热阻：

结温：


  可根据实际应用场景估算最高温度下是否会出现超结温风险。
六、线性调整率、负载调整率

七、纹波抑制比

八、静态电流

六、补充（实际上应该在介绍LDO之前提，本人有点懒，演进过程可以参考“参考资料3”）

 在不使用LDO的情况下如果要实现降压，其实可以采用电阻分压，但是电阻分压带载能力较弱，输出波动较大，这里再提一提稳压管扩流电路。

	对这个电路进行简要分析
	首先该电路是由三极管、电阻以及稳压管组成，三极管主要提高带载能力，稳压管起到稳压作用，电阻限流，防止稳压管过流打坏。如果不考虑详细参数设计，假设稳压管的稳压值为5V，三极管的BE导通电压为0.7V，这个电路在正常工作的前提下，输出电压应该为5-0.7=4.3V。所以，如果把所有元器件看成是理想的，这个电路的稳压效果也是相当好。
	但是这个电路会受到输入电压的影响，当输入电压变化时，流过稳压管的电流会发生变化（稳压管会有一定的稳压范围），进而影响稳压管的稳压值（精度不够），而且输出电压不可调节（不一定能凑出所需值，需要取决于稳压值和VBE）。

参考文献：
1、https://blog.csdn.net/jfl558604/article/details/129753925
2、https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcy093/zhcy093.pdf?ts=1685090444934&ref_url=https%253A%252F%252Fcn.bing.com%252F
3、https://www.cnblogs.com/strongercjd/p/14942317.html
4、https://www.cnblogs.com/dowo/articles/14751299.html