LDO原理以及相关性能参数
LDO原理以及相关性能参数
LDO（低压差线性稳压器）是电子设备中常见的电源管理组件，广泛应用于各种需要稳定电压输出的场景。本文将详细介绍LDO的工作原理及其关键性能参数，帮助读者深入了解这一重要器件。
LDO概述
LDO是Low Dropout Regulator的缩写，意思是低压差线性稳压器。其性能特点包括：
- 低压差：输入电压与输出电压的差值比较低；
- 线性：MOS基本处于线性工作状态；
- 稳压器：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4.4~5V，VOUT始终保持 3.3V输出；
LDO的重要功能包括将负载与不干净的电源隔离开来，以及构建低噪声电源为敏感电路供电。其输出的电源纹波和噪声比较小，电源质量比较好。
LDO的框图构成
LDO通常包括一个基准电压源，一个取样输出电压，一个误差放大器以及一个串联调整管组成，使用误差放大器控制稳压器的压降维持输出电压的稳定。实际的芯片内部框图比这个复杂，但是原理是类似的。
输出电压经过反馈电阻分压到误差放大器输入端，当输出电压高于设定值时，内部回路会改变驱动电压，使得管子的导通压降增大，从而降低输出电压。
LDO的稳压过程
MOS管的输出特性曲线显示，LDO正常工作在点P1。当负载电阻降低，输出电流增大， 输出电压Vo降低，VDS增大，工作点移动到P2反馈电压降低，放大器输出使VGS增大，VDS减小，ID增大。工作点移到P3 ，VF与VREF之差趋于0，个系统恢复了平衡，保持输出电压稳定。
注意事项
所有稳压器都采用反馈回路（Feedback Loop）去保持输出电压的稳定。反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变，通过在单位增益频率下的相位偏移总量去确定回路的稳定性；引入的反馈电路必须考虑回路稳定性问题，负反馈越深，容易引起自激振荡。为了提高放大器在深度负反馈下的工作稳定性，一般采用消振方法为频率补偿（相位补偿）。由三极管构成的LDO，三极管正常工作时候是在放大区的，这样才能稳定输出电压。LDO的效率可以用输出电压比上输入电压进行大致计算。LDO的内部调整管可以由两个NPN，或者两个PNP三极管构成，或者是CMOS构成。
LDO参数介绍
LDO的压差
压差是指为 LDO实现正常稳压，输入电压 VIN 必须高出所需输出电压VOUT的最小压差。如果 VIN 低于此值，线性稳压器将以压降状态工作，不再调节所需的输出电压。PMOS LDO为了调节所需的输出电压，反馈回路将控制漏源极电阻RDS。随着VIN逐渐接近VOUT，误差放大器将驱动栅源极电压VGS负向增大，减小RDS，从而保持输出电压稳定。但是，误差放大器输出达到饱和状态以后，无法驱动VGS进一步负向增大，RDS达到其最小值，将此时的RDS值与输出电流IOUT相乘，将得到压降电压。
线性调整率
线性调整率（Line regulation），定义了输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量的比值。
要减小线性调整率，可以提高误差运放的放大倍数和增大调整管的跨导。LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。如图所示，当负载电流不是很大的时候，线性调整率是比较小的，即输入电压对输出电压的影响比较小。
负载调整率
负载调整率（Load regulation）是指在给定负载变化下的输出电压变化，负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率体现了通路元件的性能和稳压器的闭环DC增益。闭环DC增益越高，负载调整率越好。负载调整率和误差放大器的放大倍数A及调整管的 跨导有关，为了减小负载调整率可以提高这两个的值。LDO 的负载调整率越小，说明LDO 抑制负载干扰的能力越强。负载调整率的计算公式：负载调整率衡量 LDO 在负载条件变化时仍保持额定输出电压的能力。只有当重负载即要求输出电流比较大的情况下，输出电压有比较大的变化，通常情况下负载调整率非常小。
电源抑制比（纹波抑制比）
电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio. PSRR)是LDO优势之一，能够衰减开关电源生成的电压纹波，这对于ADC/DAC、PLL 和时钟等器件非常重要，因为含有噪声的电源电压会影响这类器件的性能。LDO的输入源往往存在许多干扰信号，PSRR反应LDO对这些干扰信号的抑制能力。PSRR 它规定了特定频率的交流信号从 LDO 输入到输出的衰减程度，该值越大抑制能力越强。
PSRR随频率的变化曲线显示，例如，当输出电流是150mA.输入与输出的电压差是1V，输出电容是1uF的情况下，1MHZ的时候PMRR是45dB。由电源抑制比的计算公式，可知45dB相当于178左右的衰减系数（对数的计算），可知，如果输入端有50mV的纹波，那么在输出端会被降至281uV。
电源抑制比的影响因素包括输入电压与输出电压的差值、电容选择等。使用大容量，低ESR的电容，再并联小的陶瓷电容，可以有效降低电源的纹波。前馈电容器在芯片的内部，无力进行改变。PCB板的布局布线会带来比较多的寄生参数，也会对电源抑制比产生影响，进行Layout的时候，可以参考芯片手册给的建议进行Layout。
瞬态响应
瞬态响应为负载电流突变时引起输出电压的最大变化，它是输出电容Co及其等效串联电阻ESR和旁路电容Cb的函数，其中Cb的作用是提高负载瞬态响应能力，也起到了为电路高频旁路的作用。要想实现最佳瞬态响应，闭环回路带宽必须尽可能地高，同时还要确保有足够相位余量，以保持稳定性。输出电容越大，VMAX的变化就会越小，电容放电。电容过大，响应就会变慢，电容充放电的时间。输出电流，300mA到2A之间，10-47微法之间，电流小可以放的小一些，但是不会低于4.7微法。
瞬态响应随输出电容的变化曲线显示，输出电容越大，当负载变化的时候，由于电容放电，输出电压跌落很小，但是整个响应的时间比较长。在选取电容的时候应该综合进行考虑。瞬态响应随ESL的变化曲线显示，由公式可以看出，负载变化越快，电压的跌落越大，且ESL越大越明显。瞬态响应随ESR的变化曲线显示，由公式可以看出，负载变化越大，电压的跌落就会变大，ESR越大越明显。实际电路中输出电容，ESR，ESL都是存在的，当负载变化时候其对电路的影响如图所示。实际电路中不同的参数对瞬态响应的影响显示，左图输出电容比较大，电压跌落的变化就会小，但是响应就会变慢，响应时间变长，对比两幅图可以看出不同参数对负载响应的影响。