芯片测试-LDO测试

💢LDO的简介💢

LDO：low dropout regulator，把一个较高电压输入，转换为一个略低的稳定输出电压。

💢压降💢

• 🔥 压降电压 V_DO 是指为实现正常稳压，输入电压 V_IN 必须高出所需输出电压 V_OUT(nom) 的font color=red>最小压差，V_IN≥V_OUT(nom)+V_DO，正常使用模式下的压降都大于此值。
• 🔥 如果 VIN 低于此值，线性稳压器将以压降状态工作，不再能调节到所需的输出电压。在这种情况下，输出电VOUT(dropout)
  将等于 VIN 减去压降电压的值，VOUT(dropout)=VIN−VDO。

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以调节后电压为 3.3V 的 TPS799 等 LDO 为例：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。
输入电压降至 3.375V 将导致 LDO 以压降状态工作并停止调节， TPS799 没有满足稳压所需的余量电压。输出电压将开始跟随输入电压变化。

💢决定压降的主要因素💢

• 🥝 压降主要由 LDO 架构决定。

💢LDO的分类及原理💢

LDO内部基本是由4大部件构成，分别是font color=red>分压取样电路、基准电压、误差放大电路和调整电路。

• 🍉 分压取样电路
  – 通过电阻R1和R2对输出电压进行采样，送至误差放大器。
• 🍉 误差放大电路
  – 将采集的电压输入到误差放大器正向输入端，与反向输入端的基准电压进行比较，再将比较结果放大输出。
• 🍉 基准电压
  – 通过bandgap（带隙电压基准）产生，温度变化对基准电压的影响要小。
• 🍉 调整电路
  – 误差放大电路的输出送到晶体管的控制极（也就是MOS管的栅极或者BJT的基极），控制调整电路。

💢PMOS LDO💢

💢PMOS LDO工作过程💢

• 🍐 根据PMOS的特性，在正常工作中，PMOS的V_GS是负值。

• 🍐 误差放大器的输出为(0, V_IN)。

• 🍐 在某一状态下，如果工作于可变电阻区时，V_DS非常小，即V_OUT相对于V_IN的压降非常小。

• 🍐 假定某一时刻，V_IN不变，V_OUT由于负载变化或其它原因电压下降，分压取样电路采集到的电压下降，输入至误差放大电路P端。

• 🍐 误差放大电路的输入V_P下降，输出电压下降。

• 🍐 对于PMOS，G级电压下降，V_GS绝对值增大，则PMOS的I_DS增大，R_DS减小，V_DS减小，V_OUT增大，形成反馈，V_out保持在恒定值。

• 🍐 以上过程在PMOS的特性曲线上即从A点移动到B点。
  
  

• 🍐 随着 V_GS 负向增大，能达到的 R_DS 值越低。通过提升输入电压，可以使 V_GS 值负向增大。因此，PMOS 架构在较高
  的输入电压下具有较低的V_DO。
  

💢PMOS LDO中PMOS的工作状态💢

• 🍐 PMOS一般工作在恒流区，R_DS是一个较大且动态变化的负载。
• 🍐 在V_IN和V_OUT压差很小时，V_DS很小，PMOS会进入线性电阻区。

💢NMOS LDO💢

💢NMOS LDO工作过程💢

• 🍋 根据NMOS的特性，在正常工作中，PMOS的V_GS是正值，且>V_th。
• 🍋 假定某一时刻，V_IN不变，V_OUT由于负载变化或其它原因电压下降，分压取样电路采集到的电压下降，输入至误差放大电路N端。
• 🍋 误差放大电路的输入V_N减小，输出电压增大。
• 🍋 对于NMOS，G级电压增大，S极电压减小，V_GS增大，则NMOS的I_DS增大，R_DS减小，V_DS减小，V_OUT增大，形成反馈，V_out保持在恒定值。
  

💢NMOS LDO 特殊之处💢

NMOS在LDO电路中，V_GS >0，故V_G > V_S（V_OUT），假设误差放大器的电源为V_IN，则其输出为(0, V_IN)，那么LDO的输出最大为V_IN-V_GS(th)，而V_GS(th)一般都比较大，故NMOS LDO中，以V_IN作为误差放大器电源的电路并不能实现低压差。

• 🍉 为了实现低压差，一般采用偏置电路或者电荷泵方式，提高误差放大器的电源，从而实现误差放大器的输出> V_IN。
• 🍉 此时，V_GS保证在NMOS的正常工作范围内，V_OUT可以接近于V_IN，实现了低压差。

💢PMOS和NMOS LDO的比较💢

💢电路接法上的区别💢

• 🍓 PMOS LDO中，反馈点接在误差放大器的P端， NMOS LDO中，反馈点接在误差放大器的N端。
• 🍓 PMOS LDO中，V_IN接在S极，NMOS LDO中，V_IN接在D极。
• 🍓 NMOS中往往需要有升压电路作为误差放大器的电源，从而提升G极电压，保证低压差。
• 🍓 可见NMOS的电路要更复杂。

💢导通电阻的区别💢

• 🍓 PMOS的导通电阻相对较大，因为PMOS中的载流子迁移率较低，而NMOS相反。
• 🍓 以上是因为电子的迁移率比空穴的迁移率要高。
• 🍓 可见NMOS具有更低的导通电阻，在大电流输出的场景下有更高的效率和更低的压降。

💢输出稳定性和噪声特性的区别💢

• 🍓 PMOS LDO具有较高的输出稳定性，因为PMOS的G极电流非常小，几乎对误差放大器的负载没有影响，此外PMOS LDO的噪声相对较好，更适用于对噪声敏感的电路。

💢热性能的区别💢

• 🍓 PMOS中由于其材料，以及空穴的迁移率低，导通电阻高，使得其散热性能差与NMOS。

💢应用选择上的区别💢

• 🍓 选择NMOS管还是PMOS管作为LDO的功率管，需要根据具体的应用需求、成本预算以及性能要求来决定。
• 🍓 对于高效率和大电流输出的应用，NMOS LDO可能是更好的选择；而对于小功率应用，要求输出稳定性和低噪声的场合，PMOS LDO可能更为合适。
• 🍓 PMOS的价格一般会高一些，这也是选择上需要考虑的。

💢LDO的参数💢

💢Dropout Voltage💢

• 🍈 Dropout Voltage越小越好。
• 🍈 V_drop是指为实现正常稳压，输入电压 V_IN必须高出所需输出电压 V_OUT 的最小压差。
• 🍈 V_drop压差不是一个静态的值，和其架构和工艺决定，还和输出电流、温度等因素有关。

💢VIN输入电压💢

• 🍈 LDO正常工作的输入电压范围，其范围在LDO正常工作的最低输入电压和最大能承受的电压之间。

💢VOUT输出电压💢

• 🍈 对于固定输出电压型的LDO，一般把反馈环路（分压取样电阻）内置，常见的输出电压值有 1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V 等。
• 🍈 对于输出电压可调型的LDO，一般通过外部反馈电阻，将输出电压调整到期望值。

💢IOUT输出电流 💢

• 🍈 LDO 正常工作是的最大输出电流。

💢Quiescent Current静态电流💢

• 🍈 当外部负载电流为零时，LDO内部电流供电消耗的电流。
• 🍈 静态电流(Quiescent Current) 越小越好。
• 🍈 测试时使负载消耗电流为0，测试V_IN上消耗的电流。

💢地电流Ground Current💢

• 🍈 地电流指的是输入电流和输出电流之差，指的是LDO在工作时自身本身消耗的电流，所以在datasheet中给出的是地电流和输出电流之间的关系曲线。
• 🍈 一般来说，接地电流会随着负载电流变化而变化。
  

💢Shutdown Current关断电流💢

• 🍈 关断电流是指输出被禁用时（受LDO控制，区别于负载断开的情况）LDO 消耗的输入电流。
• 🍈 输出被禁用时，部分内部电路不再消耗功率，所以关断电流一定小于静态电流。其在低功耗应用中是非常重要的参数。
  

💢电流限制💢

• 🍈 一般LDO中都过流关断功能，输出电流到达设定值时就会关断输出。
• 🍈 但设定值也会随温度、输出电压等因素有变化。
  
  

💢Line Regulation线性调整率💢

• 🍈 LDO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。
• 🍈 一般在输出电流为标称最大值时测试。
• 🍈输入电压的变化速率也对输入瞬态响应有较大的影响。当输入电压缓慢变化，输出电压基本不变。但是输入电压快速变化时，输出电压就会发生变化。

💢Load Regulation负载调整率💢

• 🍈 负载调整率是指在输入电压一定的情况下，输出电压随负载电流变化而产生的变化量。
• 🍈 负载调整率越小越好。
• 🍈 当负载电流突然变化时，引起的输出变化越小，LDO负载瞬态性能就越好。在负载电流缓慢变化时，负载调整率很小。当负载电流快速变化时，输出电压就会发生变化。
  
  

💢Load Transient Response 负载瞬态响应💢

• 🍈 是指负载电流阶跃变化时的输出电压的变化。
• 🍈 它与输出电容值、电容等效电阻（ESR）、LDO环路增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关。
• 🍈 如果负载变化速率非常缓慢，LDO控制环路会跟踪到该变化做出补偿响应。如果负载瞬态响应很快环路来不及补偿，可能会出现异常行为。
• 🍈 测试时，需要使用示波器观察瞬间变化，负载电流的瞬间变化可以使用外部控制电路进行瞬间切换。
  

💢Line Transient Response输入电压瞬态响应💢

• 🍐 输入电压瞬态响应是指输入电压阶跃变化时输出电压的变化。
• 🍐 它与LDO控制环路的增益带宽以及输入电压变化的大小和速率有关。
• 🍐 输入电压的变化速率也对输入瞬态响应有较大的影响。 当输入电压缓慢变化（在 LDO 的带宽内只出现一个凹陷）时，可隐藏异常行为。
• 🍈 测试时，需要使用示波器观察瞬间变化，电压的瞬间切换可以通过外部电路实现。
  

💢PSRR Power Supply Rejection Ratio电源抑制比

• 🍐 PSRR表示LDO抑制由输入电压波动造成的输出电压波动的能力，PSRR与频率有关，一般而言PSRR越大越好。
• 🍐 测试需要在输入端加一个高精度波形发生器AWG，模拟各个频率的高频干扰，一个Line Injector将这个高频干扰信号加载到直流之上，用高分辨率示波器分别在输出和输入端，测出高频干扰信号的幅度，也可以串联电容将干扰加入直流。
• 🍐 注意输入输出所接电容对结果的影响。
  
  

💢Efficiency效率

• 🍐 一般情况下，I_GND忽略。
  
  

LDO的选择