低功耗线性稳压器(LDO)

一路上

一、前言

LDO，英文全名是Low Dropout Regulaor，顾名思义就是低压差线性稳压器，属于线性电源。为线性的稳压器，仅能使用在降压应用中，也就是输出电压必需小于输入电压。

LDO=low dropout regulator，低压差+线性+稳压器：

“低压差”：输出压降比较低，例如输入3.3V，输出可以达到3.2V。
“线性”：LDO内部的MOS管工作于线性电阻。
“稳压器”：说明了LDO的用途是用来给电源稳压。

二、电路原理及特性

LDO的主要电路图如下图，其实很简单，只要稍微学校里学过点电路就懂。它的核心在于圆圈里面的晶体管(可以是MOSFET也可以是BJT)，为什么叫做线性稳压源其实就是利用了晶体管工作在线性区，能够通过控制栅极电压来控制沟道电阻从而达到控制输出电压的目的，所以Vout=Vin-I*Rlin。简单吧~但是它只能实现降压，不能实现升压，如果升压你就只能选择DC-DC或者charge pump了。

可是如何实现自动调整Vout？这就需要如图的两个电阻R1/R2组成的取样电压接入误差放大器同相端，然后外面给个参考电压接入误差放大器的反向端(极性不能反否则无法放大，如果是NMOS则反过来接)，只要Vout发生变化则取样电压与Vref (可由bandgap产生)的电压差就会被放大输出给gate从而调整晶体管的输入输出特性达到调整Vout的效果。这是一个动态校正的过程，所以才叫做稳压器而不是降压器/变压器。是不是很神奇？

原则上，只要有线性特性的器件都可以，所以BJT和MOSFET都可以，但是BJT主要因为它是电流控制型不符合低功耗的要求，而且驱动电流比较大，所以Vin和Vout的差值还是太高，所以现在都采用MOSFET。至于该采用NMOS还是PMOS主要还是取决于压差，通常选用PMOS。因为PMOS的dropout电压是就是饱和压降Vdsat=Vin-Vout大约是200mV，而NMOS由于drop-out电压受到了误差放大器输出电压的限制（误差放大器的输出电压最大只能达到其电源电压，即LDO的输入电压），所以drop-out电压大小为NMOS的Vgs（Vdsat+Vth），所以就没有PMOS的优势了。当然也可以引入charge-pump提高误差放大器的电源电压来解决但是提高了复杂度和成本，但是NMOS调整管的PSRR(电源抑制比)比PMOS好。

三、LDO的参数：(Refer RichTek: LDO selection guide)

1. 输入输出电压差(Drop-out Voltage)：理论上当然越低越好，一般PMOS可以做到200mV。

2. PSRR：这就是LDO经典的参数电源纹波抑制比(Power Supply Ripple Rejection)，它是很多LDO芯片用来衡量LDO对不同频率输入电源纹波的抑制能力，它反映的是LDO不受噪声和电压波动而保持输出电压稳定的能力(抗干扰能力)。其计算公式为输出电压和输入电压纹波幅度的比值，所以PSRR值越低越好。(反之则反)

3. 超低静态电流Iq(Quiescent)：这种主要应用在传感器一类的元件中，大部分时间都是休眠的，所以在静止状态下的电流是待机的主要杀手，它主要是直接对地进行电流测试(一般几个uA)。

4. Vin MIN: 最小值决定了你是否能开启LDO的调整管，因为当Vin小于1V时(RTK standard)，可能Vin-Vout无法开启调整管则无法工作，此时必须外接charge pump给误差放大器了，那我们就干脆选用NMOS做调整管了。

5. 线性调整率/负载调整率：

a. 线性调整率(Liner regulation)：输出电压的变化与输入电压的变化比值(ΔVout/ΔVin)。

b. 负载调整率(Load regulation)：指输出电压随负载电流的变化情况(ΔVout/ΔIout)。

这两个参数都对应电路的稳态响应特性，通常情况下，输出电压随输入电压的降低及负载电流的增大而降低。要想提高线路及负载调整率，较为直接的方法是提高环路增益。

四、功耗问题

LDO是通过电阻分压的，这使得LDO不适用于大电流的场景，一般不大于1A。这也引出了LDO绕不开的话题：功耗和散热问题。

选择LDO首先要考虑的是LDO的最大输入电压范围和LDO电流输出的能力，然后较大的电流或较大的LDO电压降会导致较高的组件功率损耗。

下图显示的是在特定功率下，LDO电压降和LDO电流之间的关系：

当LDO的功耗增加时，LDO封装的散热功能也必须能够配合，常见的封装如下

LDO的功耗是曲跨于LDO上的电压降乘以流过LDO的电流而决定，功率主要是损耗在LDO的导通组件，是硅晶变热。损耗的功率取决于IC封装、PCB布局、环境温度。

五、LDO的制程注意点

1. 调整管：这个晶体管的Analog特性要非常好，线性度，导通电阻，跨导特性，还有低漏电。

2. 误差放大器：因为他要和参考电压比较，所以mismatch很重要。

3. 取样电阻：它直接决定了Vout电阻取样控制gate的特性，以及静态对地电流。