本文介紹低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的基本結(jié)構(gòu)和使用技巧以確保其穩(wěn)定工作,。我們還討論ADI公司LDO系列產(chǎn)品的設(shè)計特點，這些特點可提供一種保持動態(tài)穩(wěn)定性和直流（DC）穩(wěn)定性的靈活方法,。

問：什么是LDO,？如何使用它們？

答：穩(wěn)壓器用于提供一種不隨負載阻抗,、輸入電壓,、溫度和時間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓。低壓差穩(wěn)壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱,。例如,，如果鋰電池電壓從4.2 V（全充電）下降到2.7V（幾乎全放電），而LDO可在負載端保持2.5 V恒定電壓,。

便攜式應(yīng)用的日益增加使得設(shè)計工程師考慮使用LDO保持所需的系統(tǒng)電壓,，而與電池充電狀態(tài)無關(guān)。便攜式系統(tǒng)不是受益于LDO的唯一應(yīng)用,，任何需要穩(wěn)定恒定電壓,，同時使上流電源電壓最小（或者能處理上流電源大幅度波動）的設(shè)備都可以考慮使用LDO,。典型實例包括使用數(shù)字和射頻（RF）負載的電路,。

“線性”串聯(lián)穩(wěn)壓器（見圖1）通常包括一個基準電壓源、一個比例輸出電壓與基準電壓比較環(huán)節(jié),、一個反饋放大器和一個串聯(lián)調(diào)整管組成（雙極型晶體管或FET管）組成,，用放大器控制穩(wěn)壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如,，如果負載電流下降,，會引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大,，放大器的輸出上升，調(diào)整管兩端的電壓會增加,，因此輸出電壓回到其原始值,。

圖1. 基本的增強型PMOS LDO

在圖1中，誤差放大器和PMOS晶體管構(gòu)成壓控電流源,。輸出電壓V_OUT按分壓比（R₁,，R₂）成比例下降，并且將其與基準電壓（V_REF）比較,。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS晶體管,。

穩(wěn)壓器的“壓差”是指輸出電壓與輸入電壓之間的壓差,，如果此輸入電壓繼續(xù)減小那么該電路便不能穩(wěn)壓。通常認為當(dāng)輸出電壓下降到低于標稱值100 mV時是達到的目標,。表征這LDO穩(wěn)壓器的關(guān)鍵指標取決于負載電流和調(diào)整管的PN結(jié)溫度,。

問：如何根據(jù)壓差對穩(wěn)壓器分類？

答：我們建議分為三類：標準穩(wěn)壓器,、準LDO和LDO,。

標準穩(wěn)壓器，通常使用NPN調(diào)整管,，通常輸出管的壓降大約為2 V,。

準LDO穩(wěn)壓器，通常使用達林頓復(fù)合管結(jié)構(gòu)（見圖2）以便實現(xiàn)由一只NPN晶體管和一只PNP 晶體管組成的調(diào)整管,。這種復(fù)合管的壓降,，V_SAT (PNP) ＋ V_BE (NPN)通常大約為1 V——比LDO高但比標準穩(wěn)壓器低。

圖2. 準LDO電路

LDO穩(wěn)壓器通常根據(jù)壓差要求作最佳選擇,，通常壓差在100 mV～200 mV范圍,。然而，LDO的缺點是其接地引腳的電流通常比準LDO或標準穩(wěn)壓器大,。

標準穩(wěn)壓器比其它類型穩(wěn)壓器具有較大的壓差,，較大的功耗和較低的效率。大多數(shù)情況下可使用LDO穩(wěn)壓器代替標準穩(wěn)壓器,，但是應(yīng)該考慮到LDO穩(wěn)壓器的最大輸入電壓指標比標準穩(wěn)壓器低,。此外，有些LDO需要精心挑選外部電容器以保持穩(wěn)定性,。這三種類型穩(wěn)壓器在帶寬和動態(tài)穩(wěn)定性考慮因素方面也有些不同,。

問：如何為我的應(yīng)用選擇最佳穩(wěn)壓器？

答：為特定的應(yīng)用選擇合適的穩(wěn)壓器,，需要考慮輸入電壓的類型和范圍（例如穩(wěn)壓器前面的DC/DC變換器或開關(guān)電源的輸出電壓）,。其它重要考慮因素是：需要的輸出電壓、最大負載電流,、最小壓差,、靜態(tài)電流和功耗。通常,，穩(wěn)壓器的附加功能可能很有用,，例如待機引腳或指示穩(wěn)壓失效的錯誤標志。

為了選擇合適類型的LDO,，需要考慮輸入電壓源,。在電池供電應(yīng)用中，當(dāng)電池放電時,，LDO必須維持所需的系統(tǒng)電壓,。如果DC輸入電壓是由經(jīng)過整流的AC電源提供,，那么壓差并不重要，因此標準穩(wěn)壓器可能是更好的選擇,，因為其更價格較低并且可以提供較大的負載電流,。但是如果需要較低功耗或較精密的輸出電壓，則LDO是合適的選擇,。

當(dāng)然,，穩(wěn)壓器應(yīng)該在最壞工作環(huán)境達到規(guī)定精度的條件下能夠為負載提供足夠大的電流。

LDO結(jié)構(gòu)
在圖1中,，調(diào)整管是PMOS晶體管,。然而，穩(wěn)壓器可能使用各種類型的調(diào)整管,，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類型對LDO分類,。不同結(jié)構(gòu)和特性的LDO具有不同的優(yōu)點和缺點。

四種類型調(diào)整管示例如圖3所示,，包括NPN雙極型晶體管,、PNP雙極型晶體管、復(fù)合晶體管和PMOS晶體管,。

圖3. 調(diào)整管示例

對于給定的電源電壓,，雙極型調(diào)整管可提供最大的輸出電流。PNP優(yōu)于NPN,，因為PNP的基極可以與地連接,，必要時使晶體管完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接,，從而使最小壓降限制到一個V_BE結(jié)壓降,。因此，NPN管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1 V的壓差,。然而它們在需要寬帶寬和抗容性負載干擾時非常有用（因為它們具有低輸出阻抗Z_OUT特性）,。

PMOS和PNP晶體管可以快速達到飽和，從而能使調(diào)整管電壓損耗和功耗最小,，從而允許用作低壓差,、低功耗穩(wěn)壓器。PMOS調(diào)整管可以提供盡可能最低的電壓降,，大約等于R_DS(ON)×I_L,。它允許達到最低的靜態(tài)電流。PMOS調(diào)整管的主要缺點是MOS晶體管通常用作外部器件 —— 特別當(dāng)控制大電流時 —— 從而使IC構(gòu)成一個控制器,，而不能構(gòu)成一個自身完整的穩(wěn)壓器。

一個完整穩(wěn)壓器的總功耗是

P_D = (V_IN -V_OUT ) I_L + V_IN I_GND

上面關(guān)系式的第一部分是調(diào)整管的功耗,；第二部分是電路控制器部分的功耗,。有些穩(wěn)壓器的接地電流,，特別是那些用飽和雙極型晶體管作調(diào)整管的穩(wěn)壓器，會在上電期間達到峰值,。

問：如何確保LDO的動態(tài)穩(wěn)定性,？

答：適合普通應(yīng)用的傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器設(shè)計存在穩(wěn)定性問題。這個問題是由于反饋電路的性能,、多種可能的負載,、環(huán)路中元件的變化和難于獲得具有一致性參數(shù)的精密補償。下面將討論這些考慮因素,，然后介紹可提高穩(wěn)定性的anyCAP®電路的結(jié)構(gòu),。

LDO通常使用一個反饋環(huán)路在輸出端提供一個與負載無關(guān)的恒定電壓。因為對于任何高增益反饋環(huán)路來說,，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點和零點的位置都決定其穩(wěn)定性,。

基于NPN管的穩(wěn)壓器具有低阻抗射極負載輸出，傾向于對輸出容性負載很不敏感,。然而,，基于PNP管和PMOS管的穩(wěn)壓器具有較大的輸出阻抗（在基于PNP管的穩(wěn)壓器中具有高阻抗集電極負載）。此外,，環(huán)路增益和相位特性強烈依賴負載阻抗,，因此對于穩(wěn)定性問題需要特別考慮。

基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的傳遞函數(shù)具有幾個影響穩(wěn)定性的極點：

• 主極點（圖4中的P0）由誤差放大器決定,；它是由放大器的g_m通過內(nèi)部補償電容C_COMP一起控制和確定的,。主極點對上述所有LDO結(jié)構(gòu)都是共同的。
• 第二極點（P1）由輸出電抗（指輸出電容和負載電容以及負載阻 抗）決定,。這使得應(yīng)用問題更難處理,，因為這些電抗會影響環(huán)路的增益和帶寬。
• 第三極點（P2）由調(diào)整管附近的寄生電容決定,。在相同條件下,，PNP功率晶體管的單位增益頻率（f_T）比NPN晶體管的fT低很多。

圖4. LDO的幅頻響應(yīng)

如圖4所示,，每個極點產(chǎn)生每10倍頻程20 dB的增益下降并且伴隨90°的相移,。因為這里所討論的LDO有多個極點，所以如果單位增益頻率處的相移達到－180°,，線性穩(wěn)壓器會變得不穩(wěn)定,。圖4還示出了容性負載對穩(wěn)壓器的影響，其等效串聯(lián)電阻（ESR）會在傳遞函數(shù)中增加一個零點（Z_ESR）,。該零點有助于補償其中一個極點,，并且如果該極點出現(xiàn)在單位增益頻率以下時有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點的相移低于－180°。

ESR對于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的，特別對于使用縱向PNP調(diào)整管的LDO,。然而,，由于電容器的寄生特性，所以ESR不總是好控制,。電路可能需要ESR集中在某個窗口范圍內(nèi)以確保LDO工作在對于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域（見圖5）,。

圖5. 穩(wěn)定性隨輸出電流IOUT和負載電容的ESR變化

雖然原則上選擇具有合適ESR的合適電容器（要求頻率響應(yīng)曲線在穿過0 dB之前下降得足夠快，并且在達到相關(guān)極點P2之前向低于0 dB增益方向減小得足夠滿）非常困難,。實際考慮還會增加更多的困難：ESR隨著產(chǎn)品型號變化,；大批量生產(chǎn)使用的最小電容值需要進行基準測試，包括最小環(huán)境溫度和最大負載的極端條件,。電容器類型的選擇也很重要,。最合適的電容器是鉭電解電容器，盡管具有大容量的鉭電解電容器尺寸很大,。鋁電解電容器的尺寸很小,，但其ESR在低溫時會變差，并且在－30°C以下無法正常工作,。多層陶瓷電容器類型無法為普通的LDO提供足夠的電容（但是它們適合于anyCAP系列LDO設(shè)計,，請閱讀下面的內(nèi)容）。

ADI公司的anyCAP系列LDO

目前實現(xiàn)LDO相當(dāng)容易,，因為采用ADI公司的anyCAP LDO體系結(jié)構(gòu)可提高與穩(wěn)壓器相關(guān)的直流（DC）和交流（AC）性能,。顧名思義，anyCAP LDO穩(wěn)壓器體現(xiàn)了它對于電容器的尺寸及其ESR都要求不高,，從而允許使用種類盡可能多的輸出電容器,。雖然這種體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展并且在市場上提供越來越多的穩(wěn)壓器，但是了解這種體系結(jié)構(gòu)如何簡化穩(wěn)定性問題（見圖6）可能會對您有所裨益,。

圖6. anyCAP LDO的簡化原理圖

anyCAP系列LDO,，包括100 mA低靜態(tài)電流ADP3370¹和200 mA低靜態(tài)電流ADP3331²，使用低達0.47 µF輸出電容可以保持穩(wěn)定,，從而允許使用任何類型的優(yōu)質(zhì)電容器（包括小尺寸多層陶瓷電容器）,。ESR根本不是問題。

圖6所示的原理圖示出了一個環(huán)路如何提供穩(wěn)壓和基準電壓功能,。用外部R1-R2分壓電阻檢測輸出電壓,，然后輸出電壓通過二極管D1和R3-R4分壓電阻反饋回高增益放大器的輸入。當(dāng)達到平衡時,，放大器產(chǎn)生一個很大的,、可重復(fù)的、容易控制的偏移電壓,，該電壓是與絕對溫度成比例（PTAT）的 ,。PTAT電壓與熱敏二極管電壓降相結(jié)合一起構(gòu)成隱含的基準電壓,，該基準電壓是不受溫度影響的虛擬帶隙式電壓。

此放大器的輸出連接到一個同相驅(qū)動器以控制調(diào)整管,，利用米勒極點分離的補償方法降低對負載電容器的電容值,、電容器類型和ESR的要求。極點分離方法的另外一個優(yōu)點是具有優(yōu)異的電源噪聲抑制和很高的穩(wěn)壓器增益,，從而可提供非常高的精度和優(yōu)異的輸入電源調(diào)整率和負載調(diào)整率。

問: 您可以介紹一下ADI公司的LDO系列產(chǎn)品嗎,？

答: 當(dāng)然,，選擇LDO要根據(jù)電源電壓范圍、負載電壓和所需的最大壓差,。不同器件的主要差別集中在功耗,、效率、價格,、容易使用以及各種技術(shù)指標和提供的封裝形式,。

ADI公司幾年來一直為市場提供流行的ADP33xx anyCAP系列LDO。它們采用BiCMOS工藝和PNP調(diào)整管,，因此具有很好的穩(wěn)壓性能和上述許多優(yōu)點,，但其價格發(fā)展趨勢比CMOS器件有些貴。

一些新設(shè)計,，例如ADP17xx系列,，完全基于CMOS工藝制造并且使用PMOS調(diào)整管，因而允許以低成本生產(chǎn)LDO,，但其犧牲了線性穩(wěn)壓器的性能,。該系列穩(wěn)壓器可以適應(yīng)多種輸出電容，但它們?nèi)匀恍枰辽? µF的電容和≤500 mΩ的ESR,。例如,，150 mA的ADP1710³和ADP1711⁴使用1 µF很小的陶瓷輸出電容器就可以適應(yīng)穩(wěn)定地工作，從而具有優(yōu)良的瞬態(tài)性能同時占用最小的印制電路板（PCB）面積,；300 mA的ADP1712⁵,，ADP1713⁶和ADP1714⁷可使用≥2.2 µF的電容器。

以上兩個系列穩(wěn)壓器都具有在0.75 V～3.3 V范圍內(nèi)16個固定輸出電壓選擇和在0.8 V～5 V范圍內(nèi)可調(diào)輸出電壓選擇,。隨輸電線電壓,、負載和溫度變化輸出電壓精度優(yōu)于±2％。ADP1711和ADP1713固定輸出電壓穩(wěn)壓器允許外部連接一個基準電壓旁路電容器,，以減小輸出電壓噪聲并且提高電源抑制比,。ADP1714具有跟蹤功能，它允許輸出電壓跟隨一個外部電壓或基準電壓,。ADP1710和ADP1711在額定負載下的壓差是150 mV,；ADP1712，ADP1713和ADP1714則為170 mV。它們的電源抑制（PSR）很高（1 kHz時為69 dB和72 dB）,，并且功耗很低（負載電流為100 µA時其接地電流為40 µA和75 µA）,。

圖7示出了ADP1710在輸入電容C_IN=1 µF和輸出電容C_OUT=1 µF以及ADP1711在C_IN=22 µF和C_OUT=22 µF幾乎滿負載條件下的典型瞬態(tài)響應(yīng)比較。

圖7. ADP1710和ADP1711的瞬態(tài)響應(yīng)

兩系列穩(wěn)壓器工作溫度范圍為－40°C～＋125°C,，都采用5引腳TSOT超小封裝,，該封裝是一種滿足各種電源要求的超小封裝解決方案。