LDO电路原理及设计要点

LDO电路原理及设计要点

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_54608520/article/details/137825493

一、LDO介绍和分类

LDO即Low-dropout Regulator，是一种低压差线性稳压器，能在输入电压与输出电压压降很小的条件下工作。

LDO包括分立元器件搭的LDO电路及集成LDO芯片两种。

LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)。LDO按其静态耗流来分，分为OmniPowerTM /MicroPowerTM/NanoPowerTM三种产品。

二、LDO工作原理

LDO稳压器的主要部件是一个功率场效应管（Power FET）和一个差分放大器（Differential Amplifier）。差分放大器的一端输入由输出电压和R1、R2电阻决定，另一端输入参考电压。如果输出电压与参考电压有偏差，差分放大器的输出将会反馈调整功率效应管的输出，从而校准稳压器的输出电压。

三、LDO选取原则

所设计的电路要求分路电源具有下列特点时：

1)低噪音、高纹波抑制；

2)占用PCB板面积小(如手机、手持电子产品)；

3)电路电源不允许使用电感器(如手机)；

4)电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能；

5)要求稳压器低压降、自身低功耗；

6)线路要求低成本和简单方案；

此时，选用LDO是最确当、最实用、最方便、最经济的。

四、LDO主要参数

1、压差

压差是LDO线性稳压器最重要的参数。LDO线性稳压器的压差电压是指系统能够调节，使输出稳定在期望输出的最小输入电压和输出电压值差。此时，输入电压将是系统能够调整地最小输入电压，比这更小的电压，输入与输出将成线性关系下降。

德州仪器（TI）电压差定义为输出电压较其标称值跌落2％的输入、输出电压的差值。其它的如美信（Maxim）、圣邦微电子(SGMC)电压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入、输出电压的差值。

2、静态电流

静态电流（或称地电流）是指调整器输入和输出电流之间的差；一个高效率的调整器，其静态电流必须足够小。

静态电流由参考源、采样电阻或误差放大器的偏置电流和调整管的驱动电流组成，它不提供输出功率。

静态电流的大小主要由调整管、电路的拓扑结构和环境温度等因素决定。

静态电流定义为：

3、效率

LDO调整器的效率受到静态电流和输入、输出电压的限制，满足下面的公式：

Dropout电压和静态电流必须足够小，LDO才能有比较高的效率，另外，由于LDO调整器的功耗（ ）受到输入－输出电压差的影响，所以输入－输出电压差必须减小，效率才能提高。不管输出条件如何，输入－输出电压差是决定调整器效率的主要因素。

4、待机电流

待机电流是指带有使能信号的LDO，当该信号关闭的时候LDO消耗的电流。参考电压和误差放大器同样也处于不供电的状态。可以进一步减小功耗。

5、瞬态响应

瞬态响应是LDO调整器的重要参数，它是负载电流阶跃变化时，输出电压允许的最大变化量。瞬态响应是输出电容（Co）、输出电容的等效串联阻抗（RSR）、旁路电容Cb和最大负载电流（Io_max）的函数，应用中应该确定这个值有多小。

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。

为了获得更好的瞬态响应，LDO需要更宽的带宽，更大的输出容量、低ESR的电容。

6、线性调整率和负载调整率

线性调整率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之比：

输入电压变化的最坏情况发生在电路的上下电过程。

负载调整率是指在输入电压不变的条件下，负载发生变化时对输出电压的影响，即输出变化量与负载电流变化量的比值：

输出负载变化的最坏情况发生在负载电流从0增加到最大额定值，或者反过来变化。

7、电源噪声抑制比

电源噪声抑制比也被叫做纹波抑制比，是衡量LDO对输入电压电源变动抑制的一种能力，需要考虑很宽的频率范围。

控制环路往往是决定纹波抑制比的主要因素。大的输出电容，低ESR，追加旁路电容能够改善纹波抑制比。

由于输出电容的ESR或者补偿电阻（CSR）能引起控制环路不稳定，LDO制造商通常会提供ESR取值曲线图。

8、精度

LDO调整器的精度是指线路调整率（ΔVLR）、负载调整率（ΔVLDR）、参考电压漂移（ΔVo，ref）、误差放大器电压漂移（ΔVo，a），外部采样电阻容差（ΔVo，r）和温度系数（ΔVTC）的所有影响。

LDO调整器电路中输出电压的变化主要是由于电压参考源的温度变化、差分放大器的温度变化、采样电阻的容差引起。

负载调整率、线性调整率，增益误差的偏移通常只占精度的1%～3%。

五、LDO设计及布局布线

1、输入电容

作用是对调整器的输入进行滤波，另外输入电容也可以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡。

一般采用两个电容并联的设计。较大的电容提供滤波作用，一般取值10uF左右；较小的电容提供消除振荡作用，取值应小于1uF，实际应用中一般选择0.1uF，位置应尽量靠近调整器的输入端。

输入电容的纹波电流应小于器件手册给出的额定值：

其中：

Iripple：输入电容的纹波电流；Vp：纹波电压的峰－峰值

C：输入电容值；f：为纹波电压的频率，一般取100KHz

注意温度对电容特性的影响，注意电容的额定电压要进行80%降额

2、输出电容

输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。

陶瓷电容，优点：低价，低ESR，小尺寸;不足：失效模式为短路

铝电解，优点：可自愈，低价；不足：体积大，老化率高。

钽电容，优点：体积小，等效并联电阻高；不足：自燃，有极性。

薄膜电容：宜作补偿电容用。优点：温度稳定性好，不足：较贵，体积大。

NPO陶瓷电容，优点：综合性能好；不足：容值较小，价格贵。

在LDO使用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择。因为陶瓷电容器无极性和具有低的ESR，典型值<100mΩ，电容器的ESR对输出纹波有重大影响。

ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R电介质是最好的，但使用成本略高，X5R电介质较好，性能/价格比适宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。

在LDO调整器带有多个负载时，每个负载电路的输入电容都是调整器的输出电容，必须保证所有这些电容的等效电容量及等效ESR满足电路稳定的要求。

3、布局、布线

元器件放置：电路设计中，旁路电容应该尽量靠近器件引脚，即引线长度应尽量短，调整器输入端的到旁路电容的走线长度应小于1英寸。

一点接地

去耦支路尽量短

大电流线路尽量短

做好散热设计

六、LDO应用要点

七、 LDO电路故障排除