LDO硬件设计指导

LDO详解

一、什么是LDO

LDO即low dropout regulator，是一种低压差线性稳压器。

1、  为什么是低压差？

LDO是低压降的意思，低压差是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作，但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v，输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的，针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。

2、  为什么是线性稳压器？

线性稳压器是由于LDO内部有一个串联调整管，用在其线性区域内运行的晶体管或FET，该管工作在线性放大区，因此叫线性稳压器。

3、  LDO的特点

LDO线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。而且它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA（TI的TPS78001达到Iq=0.5uA），电压降只有100mV(TI量产了号称0.1mV的LDO)。 LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力， 输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。

二、LDO的基本原理

如图所示，该电路是LDO最基本的电路，由基准恒压源、串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

1、基准电源：主要用来与负反馈用来进行求差放大器的基准电源

2、串联调整管：有MOS型和FET型，针对FET型，放大器输出控制FET的基极，串联管FET为共基极放大状态；对于MOS型，放大器输出控制MOS的栅极，串联管MOS为共栅极放大状态。

工作原理：取样电压加在放大器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

应当说明， LDO低压差线性稳压器的结构还包括启动电路、使能电路、保护电路等。而且应当具有其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，串联调整管也可以采用MOSFET。

输出电压：根据放大器“虚短”：Vref为已知横流电压源，Vout=(R1+R2)/R2 ×Vref 
工作条件：Vin >= Vdrop + Vout。

三、LDO四大要素

产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO：

1、压差Dropout：输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。在测试压差时不同的厂家有不同的标准。德州仪器（TI）压差定义为输出电压较其标称值跌落2％时的输入与输出电压的差值；而美信（Maxim）、圣邦微电子(SGMC)压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入与输出电压的差值。虽然各厂家定义不同，但测试值差别不大。

2、噪音Noise：电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。

3、电源抑制比（PSRR）： Power Supply Rejection Ratio 的缩写，也就是说, PSRR 表示把输入与电源视为两个独立的信号源时，所得到的两个电压增益的比值。电源抑制比(PSRR)是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值，常用分贝表示。公式:PSRR=20log(△Vi/△Vo)。

4、静态电流Iq：静态电流Iq是Iquiescent的缩写，指芯片自身所消耗的电流。在一些低功耗应用中，应当尽量选择Iq小的LDO，尤其在设计低功耗系统时，仅考虑MCU本身消耗的电流，而忽略电源芯片上所消耗的电流，使整个系统的待机功耗不能达标。

四、LDO电路选型

1、LDO的选型

虽然上节已经介绍过关于LDO选型需要关注的参数，比如输入电压范围，输出电压，负载电流等等，仍需要关注是哪家厂商、哪个系列、哪种封装等，还需要关注器件的成本，有没有提供Demo板等。

2、LDO的输入电容

一般情况下都需要选择一个旁路电容作为输入电容，在手机设计中，一般都是MLCC电容，不过也有选择钽电容的，在大功率电路上可以选择电解电容。输入电容要考虑电容的耐压值(一般是输入电压的2-3倍)、封装等，为什么要选用输入电容呢？我分析有以下2点：第一、就是电容的本性，滤波的作用，主要滤除输入电源上的纹波与噪声；第二：保证电源信号完整性，这里主要指PCB走线，降低电路对PCB走线的敏感性，特别是长输入走线或者高信号源阻抗的情况下。一般输入电容越大越好，电容越大对噪声和纹波越好，但是电容越大就会延迟启动时间，因为滤波就是RC电路。

3、输出电容

输出电容的选择要比输入电容麻烦很多，主要是电路中的零点与极点，至于什么是零点？什么是极点？大学自动控制理论中有介绍。输出电容的作为一方面是使电路稳定，就是上面说的零点和极点问题，另一方是对负载电流的调整，当输出电流瞬间上升一定量时，负载电容像电池一样提供一定的电流。输出电容的选择主要是陶瓷电容，因为陶瓷电容有较低的ESR。具体选择什么电容，可以参考LDO datasheet。

该文章是关于输出电容的介绍javascript:;

4、反馈电阻

反馈电阻决定了输出电压的大小，因此也很重要，一般选择误差为+/-1%，可以减小输出电压的误差，如果选择误差+/-5%的电阻，可以想象一下输出电压的误差，一定会很大。不信的话，自己算一下。

五、LDO的布局与布线

重点要考虑噪声、纹波和散热问题，尽可能将输出电容（CL）接在VOUT-VSS管脚的附近，将输入电容（CIN）接在VIN-VSS管脚的附近，LDO和电容要使用同一铜层铺地，尽量增加地面积。