低壓差穩(wěn)壓器（LDO）能夠在很寬的負載電流和輸入電壓范圍內(nèi)保持規(guī)定的輸出電壓,，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個電壓差被稱為壓降或裕量要求,，在負載電流為2A時可以低至80mV,。可調(diào)輸出低壓差穩(wěn)壓器于1977年首次推出?，F(xiàn)在,，便攜設備需要使用的低壓差線性穩(wěn)壓器經(jīng)常多達20個。最新便攜設備中的許多LDO被集成進了多功能電源管理芯片（PMIC）——這是高度集成的系統(tǒng),，擁有20個或以上的電源域,，分別用于音頻、電池充電,、設備管理,、照明、通信和其它功能,。
然而,，隨著便攜系統(tǒng)的快速發(fā)展，集成式PMIC已經(jīng)無法滿足外設電源要求,。在系統(tǒng)開發(fā)的后期階段必須增加專用LDO來給各種選件供電,，如相機模塊、藍牙,、WiFi和其它連接模塊,。LDO還能用來輔助降低噪聲,，解決由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線造成的穩(wěn)壓問題，并通過關閉不需要的功能來提高系統(tǒng)效率,。
本文將討論基本的LDO拓撲,，解釋關鍵的性能指標，并展示低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用,。同時使用ADI公司LDO產(chǎn)品系列的設計特征進行示例說明。
圖1：采用低壓差 （Vout和在額定負載電流時Vin的最低給定值之間的差值） 技術穩(wěn)定輸出電壓的LDO框圖,。
基本的LDO架構,。LDO由參考電壓、誤差放大器,、反饋分壓器和傳輸晶體管組成,，如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供,。傳輸器件的柵極電壓由誤差放大器控制——誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進行比較,，然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓,，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低,，允許更多的電流通過，進而提高輸出電壓,。如果反饋電壓高于參考電壓,，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限制電流流動,、降低輸出電壓,。
這種閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性基于兩個主要的極點，一個是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內(nèi)部極點,，另一個是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）組成的外部極點,。輸出電容及其ESR將影響環(huán)路穩(wěn)定性和對負載電流瞬態(tài)變化的響應性能。為了確保穩(wěn)定性,，推薦1Ω或以下的ESR值,。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬態(tài)變化,。電容值越大,，LDO的瞬態(tài)響應性能越好，但會延長啟動時間,。ADI公司的LDO在使用規(guī)定電容時可以在規(guī)定工作條件下達到很好的穩(wěn)定性能,。
LDO效率：提高效率一直是設計工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態(tài)電流（Iq）和前向壓降,。
由于Iq在分母上,，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當?shù)偷腎q。當Iq遠小于ILOAD時,，在效率計算公式中可以忽略Iq,。這樣，LDO的效率公式可以簡化為（Vo/Vin）*100%,。由于LDO無法存儲大量的未使用能量,，沒有提供給負載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。
LDO可以提供穩(wěn)定的電源電壓,，這種電壓與負載和線路變化,、環(huán)境溫度變化和時間流逝無關，并且當電源電壓和負載電壓之間的壓差很小時具有最高的效率,。例如,，隨著鋰離子電池從4.2V（滿充狀態(tài)）下降到3.0V（放電后狀態(tài)），與該電池連接的2.8V LDO將在負載處保持恒定的2.8V（壓差小于200mV）,，但效率將從電池滿充時的67%增加到電池放電后的93%,。
為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的中間電壓軌,，例如使用3.3V開關穩(wěn)壓器,。LDO效率固定為85%，假設開關穩(wěn)壓器效率為95%,，那么系統(tǒng)總效率將是81%,。
電路特性增強LDO性能： 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關閉，并允許在多電壓軌系統(tǒng)中按正確的順序加電,。軟啟動可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時間,。睡眠狀態(tài)能使漏電流最小，這個特性在電池供電系統(tǒng)中特別有用,，并且允許快速啟動,。當LDO的溫度超過規(guī)定值時，熱關斷電路將關閉LDO,。過流保護電路可以限制LDO的輸出電流和功耗,。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規(guī)定的最小值時禁止輸出。圖2是用于便攜設計的典型電源系統(tǒng)簡圖,。
圖2：便攜系統(tǒng)中的典型電源域,。
理解線性穩(wěn)壓器要求
LDO用于數(shù)字負載：像ADP170和ADP1706這類數(shù)字線性穩(wěn)壓器設計用于支持系統(tǒng)的主要數(shù)字要求，通常是微處理器內(nèi)核和系統(tǒng)輸入/輸出（I/O）電路,。用于DSP和微控制器的LDO必須具有較高的效率,，并能處理快速變化的大電流。更新的應用要求給數(shù)字LDO造成了巨大的壓力,，因為處理器內(nèi)核為了節(jié)能而經(jīng)常改變時鐘頻率,。為了響應軟件導致的負載變化而發(fā)生的時鐘頻率變化對LDO的負載調(diào)整功能提出了嚴格的要求,。
數(shù)字負載的重要特征有線路調(diào)整率和負載調(diào)整率，以及瞬態(tài)下沖和過沖,。在給低電壓的微處理器內(nèi)核供電時,，精確的輸出控制總是非常重要，沒有足夠的調(diào)整率將致使內(nèi)核閉鎖,。數(shù)據(jù)手冊中并不總是提供上述參數(shù),，瞬態(tài)響應圖形也許表現(xiàn)出對瞬態(tài)信號不錯的上升和下降響應速度。線路和負載調(diào)整率有兩種方式表述：一種是輸出電壓隨負載變化的偏離百分比,，實際的V/I值,，或者在規(guī)定負載電流條件下同時用兩者表示。
為了節(jié)省功耗,，數(shù)字LDO需要具有較低的Iq以延長電池壽命,。便攜系統(tǒng)有很長時間軟件處于空閑狀態(tài),，這段時間系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài),。在不活動時，系統(tǒng)將進入睡眠狀態(tài)——要求LDO關閉,，消耗電流不到1 ?A,。當LDO處于睡眠模式時，所有電路（包括帶隙參考）都將被關閉,。當系統(tǒng)回到活動模式時,，要求快速啟動 ——在此期間數(shù)字供電電壓必須不產(chǎn)生過高的過沖。過高的過沖將導致系統(tǒng)閉鎖,，有時需要拔出電池或按下主復位按鈕才能解決問題,，并重啟系統(tǒng)。
LDO用于模擬和射頻負載: 像ADP121和ADP130具有的低噪聲和高電源抑制（PSR）性能對模擬環(huán)境中使用的LDO來說非常重要,，因為模擬器件比數(shù)字器件對噪聲更敏感,。模擬LDO需求的主要來自無線接口要求——不損傷接收器或發(fā)送器，并在音頻系統(tǒng)中不產(chǎn)生爆破音或嗡嗡聲,。無線連接非常容易受噪聲的影響,，如果噪聲干擾到信號，接收器的效果將大打折扣,。在考慮模擬線性穩(wěn)壓器時,，器件要能抑制來自上游電源和下游負載的噪聲，而且自身不增加噪聲,，這一點很重要,。
模擬穩(wěn)壓器噪聲的測量值用電壓有效值（rms）和PSR表示，后者代表了抑制上游噪聲的能力,。增加額外的濾波器或旁路電容可以減小噪聲,，但增加了成本和體積,。仔細和靈活的LDO內(nèi)部設計也有助于噪聲降低和電源噪聲抑制。在選擇LDO時,，對涉及每個系統(tǒng)所需的總體性能的產(chǎn)品細節(jié)進行檢查很重要,。
關鍵的LDO指標和定義
備注：制造商數(shù)據(jù)手冊首頁一般是一些摘要信息，通常突出了一些吸引人的器件特性,。關鍵參數(shù)經(jīng)常強調(diào)典型的性能特征,，但只有查閱了文檔中的完整指標和其它數(shù)據(jù)后才能得到更完整的理解。另外,，由于制造商提供指標的方式幾乎沒有標準可言,，因此電源設計師需要理解用來獲得電氣指標表格中列出的關鍵參數(shù)的定義和方法。系統(tǒng)設計師應該密切關注關鍵參數(shù),，如環(huán)境和結點溫度范圍,、圖形信息中的X-Y刻度值 、負載,、瞬態(tài)信號的上升和下降時間以及帶寬,。下面討論與ADI公司LDO的表征和應用有關的一些重要參數(shù)。
輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓,。指標可能提供寬的輸入電壓范圍,，但最低輸入電壓必須超過壓降加上想要的輸出電壓值。例如,，150mV的壓降對于穩(wěn)定的2.8V輸出來說意味著輸入電壓必須大于2.95V,。如果輸入電壓低于2.95V，輸出電壓將低于2.8V,。
接地（靜態(tài)）電流：靜態(tài)電流Iq就是輸入電流IIN和負載電流IOUT之間的差值,，在規(guī)定的負載電流條件下測量。對于固定電壓穩(wěn)壓器,，Iq等于接地電流Ig,。對于可調(diào)穩(wěn)壓器，如ADP171,，靜態(tài)電流等于接地電流減去來自外部分壓電阻網(wǎng)絡中的電流,。
關斷電流：這是指設備禁用時LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低于1.0 uA,。這個指標對于便攜設備關機時長待機期間的電池壽命來說很重要,。
輸出電壓精度：ADI公司的LDO具有很高的輸出電壓精度，在工廠制造時就被精確調(diào)整到±1%之內(nèi)（25℃）,。輸出電壓精度在工作溫度,、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規(guī)定。誤差規(guī)定為±x%最差情況,。
線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率,。為了避免由于芯片溫度變化引起的誤差,，線路調(diào)整率的測量通常在低功耗狀態(tài)或使用脈沖技術進行。
動態(tài)負載調(diào)整率：只要負載電流緩慢變化,，大多數(shù)LDO都能輕松地保持輸出電壓接近恒定不變,。然而，當負載電流快速改變時,，輸出電壓也將發(fā)生改變,。當負載電流發(fā)生變化時輸出電壓會改變多少就決定了負載瞬態(tài)性能。
壓差：壓差指保持電壓穩(wěn)定所需的輸入電壓和輸出電壓之間的最小差值,。也就是說,，LDO能夠在輸入電壓降低時保持輸出負載電壓不變，直到輸入電壓接近輸出電壓加上壓差,，在這個點輸出電壓將“失去”穩(wěn)定,。壓差應盡可能小，以使功耗最小,，效率最高,。當輸出電壓降低到低于標稱值 100mV的電壓時，通常被認為達到了這個壓差,。負載電流和結點溫度會影響這個壓差,。最大壓差值應在整個工作溫度范圍和負載電流條件下加以規(guī)定,。
啟動時間：啟動時間被定義為使能信號的上升沿到VOUT接近其標稱值的90%時的時間,。這個測試通常是接上VIN、使能引腳從斷開到接通的觸發(fā)條件下進行測量,。備注：在使能引腳連接VIN的某些情況下,，啟動時間可能會大幅增加，因為帶隙參考需要一定的穩(wěn)定時間,。在穩(wěn)壓器需要頻繁關閉和啟動以節(jié)省功耗的便攜系統(tǒng)中,，穩(wěn)壓器的啟動時間是一個重要的考慮因素。
限流閾值：限流閾值被定義為輸出電壓下降到給定典型值的90%時的負載電流,。例如,，3V輸出電壓的限流閾值被定義為造成輸出電壓下降到3.0V的90%或2.7V時的負載電流。
工作溫度范圍：工作溫度范圍可以由環(huán)境溫度和結點溫度加以規(guī)定,。由于LDO會發(fā)熱,，因此IC的工作溫度總是超過環(huán)境溫度，比環(huán)境溫度高出多少取決于工作狀態(tài)和PCB熱設計,。數(shù)據(jù)手冊上規(guī)定有最大結點溫度（TJ）,，因為在最大結點溫度之上工作過長的時間會影響器件的可靠性——統(tǒng)計學上稱為平均故障時間（MTTF）。
熱關斷（TSD）：大多數(shù)LDO具有自動溫度調(diào)節(jié)裝置,，用于防止IC發(fā)生熱失控,。當結點溫度超過規(guī)定的熱關斷閾值時,，這個裝置將關斷LDO。為了在重啟之前讓LDO冷卻下來,，要求一定的滯后時間,。TSD很重要，因為它不單單保護LDO,；過多的熱量影響的不止是穩(wěn)壓器,。從LDO傳導到PCB（或從電路板上更熱的元件傳導到LDO）的熱量隨著時間的推移可能破壞PCB材料和焊接可靠性，也會破壞附近元件,，進而縮短便攜設備的壽命,。另外，熱關斷將影響系統(tǒng)的可靠性,。因此,，用于控制電路板溫度的熱設計（散熱器、冷卻裝置等）是重要的系統(tǒng)考慮因素,。
使能輸入：LDO使能信號以正和負邏輯的形式提供,，用于關閉和啟動LDO。高電平有效邏輯在使能端電壓超過邏輯高電平門限時使能器件,，低電平有效邏輯在使能端電壓低于邏輯低門限電平時使能器件,。使能輸入允許外部控制LDO的關閉和啟動，這是多電壓軌系統(tǒng)中調(diào)整電源上電順序的一個重要特性,。一些LDO具要相當短的啟動時間,，因為它們的帶隙參考在LDO禁用時是打開的，允許LDO更快地啟動,。
欠壓閉鎖：欠壓閉鎖（UVLO）可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時才向負載輸出電壓,。UVLO很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓LDO器件上電,。
輸出噪聲：LDO的內(nèi)部帶隙電壓參考是噪聲源,，通常用給定帶寬范圍內(nèi)的毫伏有效值表示。例如,，ADP121在VOUT為1.2V時,，在10kHz至100kHz的帶寬范圍內(nèi)有40?V rms的輸出噪聲。在比較數(shù)據(jù)手冊指標時,，給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素,。
電源抑制比：電源抑制比（PSR）用分貝表示，代表了LDO在寬的頻范圍（1kHz至100kHz）內(nèi)對來自輸入電源的紋波的抑制能力,。在LDO中,，PSR可以用兩個頻段表征。頻段1從直流到控制環(huán)路的單位增益頻率,，這時的PSR取決于穩(wěn)壓器的開環(huán)增益,。頻段2在單位增益頻率之上,，這時的PSR不受反饋環(huán)路的影響，PSR取決于輸出電壓以及從輸入到輸出引腳的任何泄漏路徑,。選擇一個適合的高值輸出電容通常會改善后個頻段的PSR,。在頻段1，ADI公司專有的電路設計可以減少由于輸入電壓和負載變化引起的PSR變化,。為了獲得最佳的電源抑制性能,，PCB版圖設計時必須考慮減小從輸入到輸出的泄漏，而且要有魯棒性的接地性能,。
最小輸入和輸出電容：最小輸入和輸出電容應大于在各種工作條件 （尤其是工作電壓和溫度） 下的規(guī)定值,。在器件選型時必須考慮應用中的各種工作條件，確保滿足最小的電容規(guī)格,。推薦使用X7R和X5R型電容,。Y5V和Z5U電容不推薦在任何LDO電路中使用。
反向電流保持特性：采用PMOS傳輸管的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管,。當VIN大于VOUT時,，這個二極管將處于反偏狀態(tài)。如果VOUT大于VIN,，這個本征二極管將變成前向偏置,，產(chǎn)生從VOUT到VIN的電流，進而造成破壞性的功耗,。一些LDO,，如ADP1740/ADP1741，有額外的電路防止從VOUT到VIN的反向電流流動,。反向電流保護電路檢測到VOUT超過VIN時,，將反轉本征二極管連接的方向,，使二極管仍處于反偏狀態(tài),。
軟啟動：可編程軟啟動有助于減小啟動時的浪涌電流和提供上電順序。對于啟動時要求浪涌電流受控的應用,，有些LDO（如ADP1740/ADP1741）提供了可編程的軟啟動（SS）功能,。為了實現(xiàn)軟啟動，在SS和地引腳之間需要連接一個小的陶瓷電容,。
結束語
LDO執(zhí)行的是一個重要功能,。雖然概念上很簡單，但在應用時需要考慮許多方面的因素,。本文介紹了基本的LDO拓撲,，解釋了一些關鍵指標和低壓差穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的應用。在數(shù)據(jù)手冊中還包含了許多有用的信息,。