LDO线性稳压器的并联设计

一路上

前言

LDO线性稳压器是线性降压型电压稳压器中的低饱和（Low Dropout：LDO）型产品，通常被称为“LDO”，是目前线性稳压器的主流产品。由于设计简单，并且在部件数量、尺寸、成本方面具有诸多优势，因此，即使在近年来开关稳压器的应用日益增多的情况下，LDO线性稳压器依然是根据应用需求被广为采用的电源IC。

普通LDO线性稳压器的容许损耗最多几瓦，比如5V输入3.3V输出时，输出电流约为1A。针对更高的要求，近年来多采用开关稳压器来对应。不过，有些方法可以解决使用LDO线性稳压器时带来的输出电流增加、容许损耗超标等问题。其中一个方法就是并联LDO线性稳压器（以下简称“LDO”）。

LDO线性稳压器的并联

LDO并联是一种很早以前就有的方法，从理论上看，在理想的情况下，比如将两个1A的LDO并联，可以获得2A（翻倍），从分担损耗的角度看，两个并联可以使每个LDO的损耗减半。

但是，如果只是将LDO的输出之间直接连接，这无法实现输出电流加倍、损耗减半的预期。下面是将输出端直接并联的电路示例，以及输出电流相对于各LDO的负载电流的曲线图示例。示例中并联了VIN为5V、VOUT为3.3V、IOUT可达到1A的两个LDO。从理论上讲，相对于负载电流ILOAD，每个LDO的IOUT应该为1/2 ILOAD，但如图所示，在该例中，几乎全部的负载电流都供给了LDO1，LDO2几乎没有。其结果是在该电路中，LDO1已经达到了1A的IOUT供电能力，即使两个并联也无法提供更多的IOUT。

LDO线性稳压器的并联电路示例图

负载电流与输出电流示例图

这是由于并联连接的LDO之间的输出电压差造成的。即使LDO的标称输出电压值相同，在保证值范围内实际的输出电压也会有所波动。在该例中，LDO1的输出VOUT1为3.3165V，LDO2的VOUT2为3.30000V，它们之间存在0.0165V＝0.5%的压差。

正如连接电压值不同的线路时电流会从电压值高的线路流出一样，当直接连接输出电压不同的LDO输出时，也会从输出电压高的LDO流出电流。就如曲线图所示，在该例中是LDO1供给输出电流。通常，LDO输出电压的容差为标称电压的±几个百分比，而实际上，让并联的LDO实现相同的输出电压并不现实。因此，在并联LDO时，需要在电路设计上下功夫，以使并联LDO很好地分配输出电流。

并联连接LDO线性稳压器有两种方法，一种是使用二极管，另一种是使用电阻器。

用二极管并联LDO

首先来看通过二极管并联LDO的电路图。采用二极管并联LDO连接方法，由于输出路径中有二极管，因此输出电压仅下降二极管正向电压（以下简称“VF”）的量。所以，要想得到预期的输出电压，需要采取诸如将二极管VF添加到LDO的输出电压设置值中等措施。另外，每个二极管的VF会有个体波动，而且还会因负载电流和温度而异，因此，无法期待精确的输出电压精度。

通过二极管连接两个LDO输出时的电路

如上一篇文章所述，这个电路也是由输出电压高的LDO供给电流，但由于流过的电流因二极管的VF而异，因此可以在一定程度上吸收两个LDO之间的电压差。输出电压的平衡关系可以通过以下公式来表示：

VOUT1－VF1（IOUT1）＝VOUT2－VF2（IOUT2）

VOUT1：LDO1的输出电压
VOUT2：LDO2的输出电压
VVF1（IOUT1）：IOUT1的D1的VF
VF2（IOUT2）：IOUT2的D2的VF

例如，从右图中可以看出使用3.3V、1A输出的LDO，且LDO1的输出电压比LDO2高1%时，各LDO供给负载的输出电流是如何分配的。

在负载电流为1A的节点，即使LDO的输出电压差仅为1%，但电流分配却有很大差异：LDO1为0.64A，LDO2为0.36A。

输出电压差为1%时的输出电流分配

接下来，右图中给出了两个LDO间的输出电压差对输出电流的影响。

右图表示LDO1比LDO2的输出电压高时各LDO的输出电流之比。当两个LDO的输出电压完全相同时，输出电流的比率为50%（平均分配输出电流），但随着输出电压差的增加，电流比率的差也会随之增加。例如假设LDO1的输出电压波动＋1%、LDO2的输出电压波动－1%，则LDO1的电流输出为77%、LDO2的电流输出为23%，电流分配很不平衡。

输出电压差对输出电流比率的影响

从下图中可以看出当使用最大推荐输出电流值为1A的LDO时，LDO间的输出电压差对LDO并联电路的输出电流的影响。

如果LDO之间完全没有电压差，则两个LDO的输出电流相等，因此可以输出2A（1A+1A）的电流。但随着LDO输出电压差的增加，能够输出的电流值越来越小。在LDO1的输出电压波动＋1%、LDO2的输出电压波动－1%的条件下，使用最大推荐输出电流值为1A的LDO时，当两个LDO中的一个达到1A时该LDO将达到最大输出状态，因此相对于2A的输出电流能力，最多只能输出1.37A的电流。

输出电压差对最大输出电流的影响

最后请看负载调节图表。

与LDO输出相比，输出电压下降了二极管VF的量，并且二极管VF随负载电流的增加而增加，因此输出电压进一步降低。

除了各LDO本来就有的负载调节器之外，二极管VF的影响也很大，而且输出电压的变化也很大，因此，如前所述，负载调节器并不理想。

负载调节

使用镇流电阻并联LDO

使用电阻并联LDO的示例如下。由于输出路径中具有串联的电阻，因此输出电压会随着负载电流的增加而下降。

在这个示例电路中也是具有较高输出电压的LDO开始提供电流。当具有较高电压的LDO的输出电流流过镇流电阻时，会引起电压降，并且当其变得与具有较低电压的LDO电压相同时，具有较低电压的LDO也开始提供电流。这样，利用电阻的电压降来平衡输出电压，每个LDO都会向负载供应电流。输出电压的平衡关系可以通过以下公式来表示：

VOUT1-IOUT1×RBALLAST=VOUT2-IOUT2×RBALLAST

VOUT1：LDO1的输出电压
VOUT2：LDO2的输出电压
IOUT1：LDO1的输出电流
IOUT2：LDO2的输出电压
RBALLAST：镇流电阻

镇流电阻、分流至VOUT1和IOUT2的电流、LDO间的电压差之间的关系可通过以下公式来表示：



但是，VOUT1+IOUT2=ILOAD

从这个公式可以看出，当试图改善VOUT1和IOUT2之间的电流平衡时，镇流电阻RBALLAST的电阻值就会增加，并且当LDO间的输出电压差较大时，RBALLAST也会增加。另外，负载点处的电压降会随着电阻值的增加而增加。

例如，当3.3V、1A输出的LDO1波动＋1%、LDO2波动－1%时，输出电压差将达到66mV（3.3V的2%）。如果将负载电流2A分为1.2A和0.8A，则根据上述公式，镇流电阻为0.165Ω。

从右图中可以看出各LDO的输出电流是怎样分配来供给负载的。由于LDO1的输出电压较高，因此到0.4A的负载电流中只有LDO1的电流。镇流电阻带来的电压降在0.4A附近超过66mV（＝0.4A×0.165Ω），LDO1和LDO2的输出电压在VOUT点变为相同，因此LDO2的电流开始流动。在2A时被分为1.2A和0.8A，与计算值一致。

本来并联两枚输出为1A的LDO是希望获得2A的输出电流，但是对于最大额定输出电流为1A的LDO来说，当其中一个达到1A时，就达到了这个系统的最大输出电流，因此如图所示，可供给的最大输出电流变为1.6A。

请看下面的负载调节图表。随着负载电流的增加，镇流电阻带来的电压降也会增加。电压降可通过下列公式来计算。实际的电压降是在该电压上加上LDO本身的负载调节电压。



VDIFF：LDO1和LDO2的输出电压差
RBALLAST：镇流电阻
ILOAD：负载电流*
* LDO1和LDO2的输出电流都流过的区域。

在下面的LDO示例中，输出电压容差为±3%（包括温度特性）。当输出3.3V、1A的LDO1波动＋3%、LDO2波动－3%时，输出电压差为198mV（3.3V的6%）。如果将负载电流2A分为1.2A和0.8A，则镇流电阻为0.495Ω。

从左下方的图中可以看出各LDO的输出电流是怎样分配来供给负载的。与前面的示例一样，在输出电压波动±1％的情况下，电流的分配与计算一致。另外，右下图给出了该条件下的负载调节特性。负载电流带来的电压降随着镇流电阻值的增加而增加。

如前所述，各LDO的输出电压差、输出电流分配、输出电压降之间存在矛盾权衡关系，需要平衡每种特性来决定镇流电阻的值。由于输出电流会流过镇流电阻，因此会产生较大的功率损耗。请确认所使用的电阻器的额定功率是符合规格要求的。在JEITA（RCR-2121A/B电子设备用固定电阻器的使用注意事项指南）中，建议在额定功率的50%以下使用。

总结

我们介绍了使之分配输出电流的两种并联方法，一种是使用二极管的方法，一种是使用镇流电阻的方法。这两种方法都是通过缓和并联LDO间的输出电压差来实现输出电流分配的，但是都存在优缺点。另外，在具体应用之前，需要认识到有些时候很难完全按照理论实现“翻倍、减半”，有时不得不接受这种电源特性（例如输出电压精度和负载调节）而采用折衷方案。

下面总结了每种并联方法的电路、原理公式和关键要点。

关键要点

• 在使用二极管进行并联LDO线性稳压器的方法中，由于输出路径中有二极管，因此输出电压会下降二极管VF的量，因此需要采取在LDO线性稳压器的输出电压设置中添加VF部分等相应的对策。
• 每个二极管的VF存在个体差异，而且还会因负载电流和温度而异，因此，无法期待精确的输出电压精度（负载调节）。
• 尽管使用二极管可以缓和输出电压差的问题，但无论如何，由于两个LDO线性稳压器的输出电压存在压差，各LDO线性稳压器的输出电流分配还是具有很大波动。
• 使用镇流电阻并联的方法中，输出电流可按计算公式求出的值分配。
• 由于LDO线性稳压器的输出电流会流过镇流电阻，因此在负载点会产生电压降，电阻中会产生功率损耗。
• 各LDO线性稳压器的输出电压差、输出电流的分配、输出电压降之间存在矛盾权衡关系，需要在平衡各种特性的基础上决定镇流电阻的值。