好文共享：理解低压差稳压器，实现系统优化设计

作者：Glenn Morita

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。

本简短教程介绍了一些常用的LDO相关术语，以及一些基本概念，如压差、裕量电压、静态电流、接地电流、关断电流、效率、直流输入电压和负载调整率、输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度。同时，为了方便理解，文中采用了示例和插图。

设计过程中通常到后期才会进行LDO选型，并且很少进行分析。本文所述的概念将使设计人员能够根据系统要求挑选最佳的LDO。

压差

压差(VDROPOUT)是指输入电压进一步下降而造成LDO不再能进行调节时的输入至输出电压差。在压差区域内，调整元件作用类似于电阻，阻值等于漏极至源极导通电阻(RDSON)。压差用RDSON和负载电流表示为：

VDROPOUT = ILOAD × RDSON

RDSON包括调整元件电阻、片内互连电阻、引脚电阻和线焊电阻，并可通过LDO的压差进行估算。例如，采用WLCSP封装时，ADP151在200 mA负载下的最差情况压差为200 mW，因此RDSON约为1.0 Ω。图1所示为LDO的原理示意图。在压差模式下，可变电阻接近于零。LDO无法调节输出电压，因此输入电压和负载调整率、精度、PSRR和噪声等其他参数都没有意义。

图1. LDO的原理示意图

图2显示了3.0 V ADM7172 LDO的输出电压与输入电压之间的关系。2 A时的压差通常为172 mW，因此RDSON约为86 mΩ。压差区域从约3.172 V的输入电压下降到2.3 V。低于2.3 V时，该器件不能正常工作。负载电流越小，压差也会按比例下降： 在1 A时，压差为86 mV。低压差可最大程度地提高调节器的效率。

图2. 3.0 V ADM7172 LDO的压差区

裕量电压

裕量电压是指LDO满足其规格所需的输入至输出电压差。数据手册通常将裕量电压作为指定其他参数时所用的条件。裕量电压通常约为400 mV至500 mV，但有些LDO需要高达1.5 V的裕量电压。裕量电压不应与压差混淆，因为只有当LDO在压差模式下工作时这两者才相同。

静态电流和接地电流

静态电流(IQ)是指当外部负载电流为零时为LDO的内部电路供电所需的电流。它包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测等电路的工作电流。静态电流由拓扑结构、输入电压和温度确定。

IQ = IIN（空载时）

当输入电压在2 V和5.5 V之间变化时，ADP160 LDO的静态电流几乎恒定不变，如图3所示。

图3. ADP160 LDO的静态电流与输入电压之间的关系

接地电流(IGND)是指输入电流与输出电流之差，并且必然包括静态电流。低接地电流可最大程度地提高LDO效率。

IGND = IIN – IOUT

图4显示了ADP160 LDO的接地电流变化与负载电流之间的关系。

图4. ADP160 LDO接地电流与负载电流之间的关系

对于高性能CMOS LDO，接地电流通常远小于负载电流的1%。接地电流随负载电流的增加而增加，因为PMOS调整元件的栅极驱动必须增加，以补偿因其RON引起的压降。在压差区域内，在驱动器级开始饱和时，接地电流也会增加。对于要求具有低功耗或小偏置电流的应用而言，CMOS LDO至关重要。

关断电流

关断电流是指输出禁用时LDO消耗的输入电流。参考电路和误差放大器在关断模式下都不上电。较高的漏电流会导致关断电流随温度升高而增加，如图5所示。

图5. ADP160 LDO关断电流与温度之间的关系

效率

LDO的效率由接地电流和输入/输出电压确定：

效率 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

若需获得较高的效率，必须最大程度地降低裕量电压和接地电流。此外，还必须最大程度地缩小输入和输出之间的电压差。输入至输出电压差是确定效率的内在因素，与负载条件无关。例如，采用5 V电源供电时，3.3 V LDO的效率从不会超过66%，但当输入电压降至3.6 V时，其效率将增加到最高91.7%。LDO的功耗为(VIN – VOUT) × IOUT。

直流负载调整率

负载调整率衡量LDO在负载条件变化时仍保持额定输出电压的能力。负载调整率定义如下（如图6所示）：

负载调整率 = ΔVOUT/ΔIOUT

图6. ADM7172 LDO输出电压和负载电流之间的关系

直流输入电压调整率 输入电压调整率是衡量LDO在输入电压变化时仍保持规定输出电压的能力。输入电压调整率定义为：

输入电压调整率 = ΔVOUT/ΔVIN。

图7显示了不同负载电流条件下ADM7172的输出电压与输入电压之间的关系图。输入电压调整率随着负载电流增加而变差，原因是LDO的总环路增益不断降低。此外，LDO的功耗也随输入至输出电压差增加而增加，这会导致结温升高而使带隙电压和内部失调电压降低。

图7. ADM7172 LD