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LDO#xff08;Low Dropout Regulator#xff0c;低压差线性稳压器#xff09;是一种常用的电源管理组件#xff0c;用于提供稳定的输出电压#xff0c;同时允许较小的输入电压与输出电压之间的差值。LDO广泛应用于各种电子设备中#xff0c;特别是在对…引言
LDOLow Dropout Regulator低压差线性稳压器是一种常用的电源管理组件用于提供稳定的输出电压同时允许较小的输入电压与输出电压之间的差值。LDO广泛应用于各种电子设备中特别是在对低噪声、低功耗和小型化设计有较高要求的系统中。 LDO与传统的线性稳压器相比其显著优势在于具有较低的压降Dropout Voltage即在输入电压与输出电压之间的最小差值。压降较低使得LDO能够在输入电压略高于输出电压时仍然稳定工作从而提高了效率和适应性尤其是在电池供电和低功耗设计中。 在现代电子设备中LDO被广泛应用于无线通信、消费电子、汽车电子、工业控制、医疗设备等领域。随着技术的不断发展LDO的性能也在不断提升具有更低的压降、更高的输出精度、更宽的输入电压范围以及更小的封装尺寸这些特性使其在现代电源管理系统中占据了重要地位。 本篇文章将详细介绍LDO的工作原理、主要特点、应用领域、设计考虑以及与其他类型稳压器的比较帮助读者全面了解LDO的设计原理和使用场景。
目录
LDO原理
分压取样电路
基准电压
误差放大电路
晶体管调整电路
LDO参数介绍
LDO内部为什么一般用P型管作为调整管
1. 驱动电压需求较低
2. 压差Dropout Voltage更小
3. 简化电路设计
4. 稳定性和控制优势
LDO设计要点
LDO承受的最大输出电流
精度-输出准确度
输出纹波
静态电流
动态响应
LDO设计实例分析 LDO原理
LDO是Low Dropout Regulator的缩写意思是低压差线性稳压器
低压差是指输入电压-输出电压的值比较低。线性是指MOS基本处于线性工作状态。稳压器是指在正常的VIN范围内输出VOUT都稳定在一个固定值这个固定值就是我们想要的电压值。比如VIN电压4.4~5VVOUT始终保持3.3V输出。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。 增益是负的接负输入端负反馈。调整管通常用PMOS来充当本质就是PMOS跟下面的电阻网络合成就是一个共源极放大器我们打误差放大器的增益连同传输管的增益记为A误差放大器接上零温度系数主要就是保证输出电压与温度无关VFB就是反馈电压即时做调整反馈系数就是电阻分压的比例再去计算Vout跟系数的关系
分压取样电路 基准电压 误差放大电路 晶体管调整电路 因此原理就是当负载电压发生变化时通过反馈回路来控制晶体管两端的电压使其保持输出恒定不变当输出电压VOUT上升时通过R1和R2进行采样反馈反馈点VFB的电位上升由放大器U1进行误差放大此时UG的电压增大当输入电压VIN不变时VGS电压会减小源极电流ID会减小VDS电压会增大所以输出电压VOUT会减小从而稳定输出电压当输出降低时通过R1和R2进行采样反馈反馈点VFB电位降低此时UG的电位降低当输入电压VIN不变时VGS电压会变大漏极电流ID会增大VDS电压会减少因此输出电压VOUT会变大从而稳定输出电压。 LDO参数介绍
输出压降正常工作时输入电压与输出电压之间的最小差值 电源转换效率输出功率与输入功率之比最大值为VOUT/VIN 线性调整率当输入电压变化时输出电压维持在标称值上的能力 负载调整率当输出电流变化时输出电压维持在标称值上的能力 次级点寄生电容的来源 误差放大器本身的输出端。pmos栅极集成。
Co微法级很大用于稳定电压 误差放大器输出阻抗会非常大 调整管是功率管 电流大宽长比大 带来很大寄生故而次级点频率也很低输出电容上有串联电阻 RSE等效串联电阻 是电容器件自带的用电容做滤波的时候为什么要并联好几种不同的容值主要考虑电容器器件上是有 寄生电阻和寄生电感的Co是外接的分立器件偏大会降低幅度衰减的速度GBW超过P2很难稳定。 buffer可以具有一个很低的输入电容和一个很低的输出阻抗P2远离GBW相位裕度得到改善可以用源极跟随器充当buffer。 LDO内部为什么一般用P型管作为调整管 LDO一般用 PMOS:由于LDO 效率比较低一般不会走大电流。NMOS开启电压(一般 0.5V以上)NPN 基极电压要比发射机高 0.7V 左右才可以导通。这个栅极基极的驱动电压比较高要求VIN 比 VOUT高很多才可以这在低压差条件下难以实现。PMOS 可以获得更小的压差所以饱和压降小的 LDO,都是 PMOS/PNP 结构。针对某些大电流低压差需求的场合,需要使用 NMOSLDODC-DC 一般用 NMOS:在DC-DC转换器中上管(高侧开关)的选择主要取决于它的开关速度和导通电阻。PMOS 的 Rds(on)比较大意味着 DC-DC 的损耗大效率低;NMOS的电子迁移率较高因此其开关速度通常比 PMOS 更快。更快的开关速度可以提高 DC-DC转换器的效率和响应。
1. 驱动电压需求较低 P型MOS管的优势 P型MOS管在导通时需要将栅极电压拉低到比源极电压更低的电位即可通常为输入电压以下。 对于LDO来说输出电压通常较低使用P型MOS管可以方便地由LDO内部电路直接控制无需额外的升压电路来驱动栅极。 相比N型MOS管 N型MOS管导通时需要将栅极电压提升到源极电压以上通常高于输入电压。对于LDO的低输入电压场景这可能需要额外的升压电路增加复杂度和功耗。 2. 压差Dropout Voltage更小 压差与导通电阻关系 对于相同尺寸的MOS管P型MOS管通常具有较高的导通电阻。但在LDO应用中P型MOS管通常直接连接输入电源和负载其栅源驱动电压不需要像N型MOS那样高因此能够在较低的输入电压下工作。 实现低压差 P型MOS管作为调整管时其源极直接连接输入电压漏极连接负载输出电压仅受MOS管导通电阻和负载电流影响从而实现更小的压差。 3. 简化电路设计
P型MOS管的驱动需求简化了LDO的误差放大器设计。 误差放大器可以直接输出低电压信号来控制P型MOS管。无需复杂的电平转换电路或升压电路降低了设计难度和芯片面积。 4. 稳定性和控制优势
带宽与相位裕度 P型MOS管的输入电容较大有助于滤波能在一定程度上改善误差放大器的稳定性。控制精度 由于LDO的反馈环路通常要求输出电压精确稳定P型MOS管更易实现线性控制减少了复杂的补偿设计。 LDO设计要点
后续都是通过5V转3.3V来作为案例参考学习如下所示 LDO承受的最大输出电流 上述手册已经写出了可以支持500mA的输出但是实际情况在500mA输出时RT9013的温度以及到达了130℃温度也实在太高了因此这里标注的就是理想状况下的最大电流因此我们还是最好直接通过功率去推算了如下所示 温度最好控制在60摄氏度以内不超过90摄氏度200mA左右。 精度-输出准确度 输出纹波
其实原本LDO并没有输出纹波这个说法你看到的这个输出波形也不能称为是纹波对于LDO来说只有电源电压抑制比和噪声这两个参数他们共同影响了输出电压的波动幅度 静态电流
芯片不接负载时自身消耗的电流越小越好。 动态响应
现实中LDO接的负载时动态变化的所以LDO的输出电流也是不停的变化的输出电流的变化又会引起输出电压的变化 LDO设计实例分析
又叫三端稳压器稳压管。 常用型号L78系列7824、7812、7809、7805等 AMS1117系列AMS1117-5、AMS1117-3.3 XC62063.3V稳压器体积最小的一款。
