嵌入式硬件电子电路设计（五）LDO低压差线性稳压器全面详解

引言：

LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）是一种常用的电源管理组件，用于提供稳定的输出电压，同时允许较小的输入电压与输出电压之间的差值。LDO广泛应用于各种电子设备中，特别是在对低噪声、低功耗和小型化设计有较高要求的系统中。
LDO与传统的线性稳压器相比，其显著优势在于具有较低的压降（Dropout Voltage），即在输入电压与输出电压之间的最小差值。压降较低使得LDO能够在输入电压略高于输出电压时仍然稳定工作，从而提高了效率和适应性，尤其是在电池供电和低功耗设计中。
在现代电子设备中，LDO被广泛应用于无线通信、消费电子、汽车电子、工业控制、医疗设备等领域。随着技术的不断发展，LDO的性能也在不断提升，具有更低的压降、更高的输出精度、更宽的输入电压范围以及更小的封装尺寸，这些特性使其在现代电源管理系统中占据了重要地位。
本篇文章将详细介绍LDO的工作原理、主要特点、应用领域、设计考虑以及与其他类型稳压器的比较，帮助读者全面了解LDO的设计原理和使用场景。

目录

LDO原理

分压取样电路

基准电压

误差放大电路

晶体管调整电路

LDO参数介绍

LDO内部为什么一般用P型管作为调整管

1. 驱动电压需求较低

2. 压差（Dropout Voltage）更小

3. 简化电路设计

4. 稳定性和控制优势

LDO设计要点

LDO承受的最大输出电流

精度-输出准确度

输出纹波        

静态电流

动态响应

LDO设计实例分析

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LDO原理

LDO是Low Dropout Regulator的缩写，意思是低压差线性稳压器

• 低压差：是指输入电压-输出电压的值比较低。
• 线性：是指MOS基本处于线性工作状态。
• 稳压器：是指在正常的VIN范围内，输出VOUT都稳定在一个固定值，这个固定值就是我们想要的电压值。比如VIN电压4.4~5V，VOUT始终保持3.3V输出。
• 低压差稳压器(LDO)看似简单，但可提供重要功能，例如将负载与不干净的电源隔离开来或者构建低噪声电源来为敏感电路供电。

增益是负的，接负输入端，负反馈。调整管通常用PMOS来充当，本质就是PMOS跟下面的电阻网络合成就是一个共源极放大器，我们打误差放大器的增益连同传输管的增益记为A，误差放大器接上零温度系数，主要就是保证输出电压与温度无关，VFB就是反馈电压即时做调整，反馈系数就是电阻分压的比例，再去计算Vout跟系数的关系，

分压取样电路

基准电压

误差放大电路

晶体管调整电路

因此原理就是当负载电压发生变化时，通过反馈回路来控制晶体管两端的电压，使其保持输出恒定不变，当输出电压VOUT上升时，通过R1和R2进行采样反馈，反馈点VFB的电位上升，由放大器U1进行误差放大，此时UG的电压增大，当输入电压VIN不变时，VGS电压会减小，源极电流ID会减小，VDS电压会增大，所以输出电压VOUT会减小，从而稳定输出电压，当输出降低时，通过R1和R2进行采样反馈，反馈点VFB电位降低，此时UG的电位降低，当输入电压VIN不变时，VGS电压会变大，漏极电流ID会增大，VDS电压会减少，因此输出电压VOUT会变大，从而稳定输出电压。

LDO参数介绍

输出压降：正常工作时输入电压与输出电压之间的最小差值

电源转换效率：输出功率与输入功率之比，最大值为VOUT/VIN

线性调整率：当输入电压变化时，输出电压维持在标称值上的能力

负载调整率：当输出电流变化时，输出电压维持在标称值上的能力

次级点寄生电容的来源： 误差放大器本身的输出端。pmos栅极集成。

Co微法级很大，用于稳定电压

误差放大器输出阻抗会非常大 ，调整管是功率管 ，电流大，宽长比大 ，带来很大寄生，故而次级点频率也很低，输出电容上有串联电阻 RSE，等效串联电阻 ，是电容器件自带的，用电容做滤波的时候为什么要并联好几种不同的容值，主要考虑电容器器件上是有 寄生电阻和寄生电感的，Co是外接的分立器件，偏大会降低幅度衰减的速度，GBW超过P2，很难稳定。

buffer可以具有一个很低的输入电容，和一个很低的输出阻抗，P2远离GBW相位裕度得到改善，可以用源极跟随器充当buffer。

LDO内部为什么一般用P型管作为调整管

LDO一般用 PMOS:由于LDO 效率比较低，一般不会走大电流。NMOS开启电压(一般 0.5V以上)，NPN 基极电压要比发射机高 0.7V 左右才可以导通。这个栅极基极的驱动电压比较高，要求VIN 比 VOUT高很多才可以，这在低压差条件下难以实现。PMOS 可以获得更小的压差，所以饱和压降小的 LDO,都是 PMOS/PNP 结构。针对某些大电流低压差需求的场合,需要使用 NMOSLDODC-DC 一般用 NMOS:在DC-DC转换器中，上管(高侧开关)的选择主要取决于它的开关速度和导通电阻。PMOS 的 Rds(on)比较大，意味着 DC-DC 的损耗大，效率低;NMOS的电子迁移率较高，因此其开关速度通常比 PMOS 更快。更快的开关速度可以提高 DC-DC转换器的效率和响应。

1. 驱动电压需求较低

• P型MOS管的优势： P型MOS管在导通时，需要将栅极电压拉低到比源极电压更低的电位即可（通常为输入电压以下）。
  对于LDO来说，输出电压通常较低，使用P型MOS管可以方便地由LDO内部电路直接控制，无需额外的升压电路来驱动栅极。

• 相比N型MOS管： N型MOS管导通时需要将栅极电压提升到源极电压以上（通常高于输入电压）。对于LDO的低输入电压场景，这可能需要额外的升压电路，增加复杂度和功耗。

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2. 压差（Dropout Voltage）更小

• 压差与导通电阻关系： 对于相同尺寸的MOS管，P型MOS管通常具有较高的导通电阻。但在LDO应用中，P型MOS管通常直接连接输入电源和负载，其栅源驱动电压不需要像N型MOS那样高，因此能够在较低的输入电压下工作。

• 实现低压差： P型MOS管作为调整管时，其源极直接连接输入电压，漏极连接负载，输出电压仅受MOS管导通电阻和负载电流影响，从而实现更小的压差。

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3. 简化电路设计

• P型MOS管的驱动需求简化了LDO的误差放大器设计。
  • 误差放大器可以直接输出低电压信号来控制P型MOS管。
  • 无需复杂的电平转换电路或升压电路，降低了设计难度和芯片面积。

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4. 稳定性和控制优势

• 带宽与相位裕度： P型MOS管的输入电容较大，有助于滤波，能在一定程度上改善误差放大器的稳定性。
• 控制精度： 由于LDO的反馈环路通常要求输出电压精确稳定，P型MOS管更易实现线性控制，减少了复杂的补偿设计。

LDO设计要点

后续都是通过5V转3.3V来作为案例参考学习，如下所示：

LDO承受的最大输出电流

上述手册已经写出了可以支持500mA的输出，但是实际情况在500mA输出时，RT9013的温度以及到达了130℃，温度也实在太高了，因此这里标注的就是理想状况下的最大电流，因此我们还是最好直接通过功率去推算了，如下所示：

温度最好控制在60摄氏度以内，不超过90摄氏度，200mA左右。

精度-输出准确度

输出纹波        

其实原本LDO并没有输出纹波这个说法，你看到的这个输出波形，也不能称为是纹波，对于LDO来说，只有电源电压抑制比和噪声这两个参数，他们共同影响了输出电压的波动幅度

静态电流

芯片不接负载时，自身消耗的电流，越小越好。

动态响应

现实中LDO接的负载时动态变化的，所以LDO的输出电流也是不停的变化的，输出电流的变化，又会引起输出电压的变化

LDO设计实例分析

又叫三端稳压器，稳压管。 常用型号：L78系列：7824、7812、7809、7805等 AMS1117系列：AMS1117-5、AMS1117-3.3 XC6206：3.3V稳压器，体积最小的一款。