从基础到实践：LDO的应用指南
从基础到实践：LDO的应用指南
低压差线性稳压器（LDO）在硬件设计中是确保电源系统稳定可靠的核心元件。其通过线性调节方式，将输入电压转换为精准、低噪声的输出电压，且输入输出压差可低至数十毫伏，显著降低功率损耗并提升能效。相较于开关电源，LDO无需电感和复杂滤波电路，具备结构简单、成本低、瞬态响应快等优势，尤其适用于对电源噪声敏感的模拟电路（如传感器、ADC/DAC模块）和低功耗数字芯片（如MCU、FPGA）的供电。
在便携式设备中，LDO凭借低压差特性可延长电池续航；在高速通信系统中，其低纹波特性可保障信号完整性；在医疗和工业设备中，高精度稳压能力则直接关系到系统的安全性与测量准确性。此外，LDO的快速负载响应能有效抑制电源波动，防止逻辑电路误触发。合理选型LDO需兼顾功耗、散热、动态性能与成本，其设计优劣直接影响硬件系统的稳定性、能效及抗干扰能力，是嵌入式设计中不可或缺的关键环节。
LDO工作原理
LDO基本结构
由调整管（Pass Transistor，通常为P-MOS或N-MOS）、误差放大器（Error Amplifier）、参考电压（Reference Voltage）和反馈网络（Feedback Network）组成。
核心功能
通过调整管的导通状态，将输入电压（VIN）稳定为所需输出电压（VOUT），同时最小化输入输出电压差（压差电压，Dropout Voltage）。
稳压过程
反馈网络（电阻分压）采样输出电压，与内部参考电压比较，误差放大器根据差值调整调整管的导通程度。
低压差特性
LDO可在极低压差（低至几十mV）下工作，适合输入电压接近输出电压的场景（如电池供电设备）。
与传统线性稳压器的区别
LDO采用MOSFET作为调整管，传统稳压器使用双极型晶体管，LDO的压差更低、效率更高。
LDO关键参数解析（TPS7A6650-Q1 为例）
压差电压（Dropout Voltage, VDO）
定义：维持稳压所需的最小输入-输出电压差（VIN - VOUT）。
影响：决定最低输入电压（VIN_MIN = VOUT + VDO），低VDO适合电池供电场景。 在TPS7A6650-Q1规格书中的Vdo在12mV到450mV之间，根据输出电流大小所需的VDO也是不一样。以调节电压为3.3V为例，当输出电流是150mA时，输入至少要保证为Vin=3.3V+VDO=3.3V+300mV=3.6V才能保证LDO正常工作输出。
静态电流（Quiescent Current, IQ）与接地电流（Ground Current, IGND）
IQ：LDO自身工作时消耗的电流（不包含负载电流），直接影响待机功耗。
IGND：LDO内部电路的总电流（IGND = IQ + I_ADJ），低IQ对低功耗设备至关重要。 注意：如果LDO是通过MCU或者其他系统控制是能，那么静态电流可忽略不计，但是如果EN是直接和输入Vin挂在一起，需要注意EN上是否有分压电阻以及输出是否放电电阻。
输入/输出电压范围
输入电压上限由工艺决定，输出电压通常可调或固定（需注意最小负载电流）。 输出电压是通过FB 管脚上的R1和R2决定的。 计算公式为Vout=Vfb（1.223）*（1+R1/R2）
负载调整率（Load Regulation）
负载变化时输出电压的波动（如1%表示负载变化100mA时VOUT变化±1%）。
线性调整率（Line Regulation）
输入电压变化时输出电压的稳定性（如0.1%/V表示VIN变化1V时VOUT变化0.1%）。
温度系数（Temperature Coefficient）
输出电压随温度变化的漂移量
电源抑制比（PSRR）
LDO抑制输入纹波的能力，高频PSRR较低（需结合外部电容优化）。 低频PSRR（<1kHz）：由误差放大器的开环增益决定，典型值60-80dB。 高频PSRR（>1MHz）：依赖输出电容的阻抗，通常快速衰减至20dB以下。 优化策略：并联低ESL陶瓷电容或添加前级滤波。
热阻（Thermal Resistance, θJA）
封装散热能力指标（单位℃/W），决定最大允许功耗。
实际θJA与数据表差异：PCB布局、铜层厚度、散热过孔数量均影响θJA
热仿真工具：使用ANSYS Icepak或Flotherm进行热建模，避免过热失效。
LDO选型核心参数
输入/输出电压需求
确保VIN > VOUT + VDO，且不超过最大输入电压。
输出电流能力（IOUT_MAX）
需留20%余量（如负载电流300mA，选择IOUT_MAX ≥ 360mA的LDO）。
静态电流（IQ）
电池供电设备需选择IQ < 10μA的低功耗型号。
散热能力
计算功耗：PD = (VIN - VOUT) × IOUT + VIN × IGND。
若PD × θJA > 结温允许值（如125℃），需优化散热或选择更大封装。
PSRR要求
射频或高精度模拟电路需PSRR > 60dB（@100Hz~1kHz）。
封装与成本
小尺寸应用选SOT23、DFN，高功率选TO-252。
输入/输出电容计算
输入电容（CIN）
作用：滤除输入纹波，提供瞬态电流。
计算：CIN ≥ (ISTEP × tSTEP) / ΔVIN，其中ISTEP为负载瞬态电流变化，tSTEP为上升时间，ΔVIN为允许的输入电压波动。
推荐值：通常1~10μF，需低ESR陶瓷电容。
输出电容（COUT）
作用：稳定环路、抑制噪声。
计算：COUT ≥ (ISTEP × tSTEP) / ΔVOUT，结合LDO的瞬态响应要求。
推荐值：122μF（具体参考Datasheet），ESR需满足稳定性条件（如0.1Ω1Ω）。
LDO纹波测试方法
测试设备
示波器（带宽≥100MHz）、低噪声电源、电子负载。
测试步骤
设置LDO输入电压为标称值，输出接额定负载。
示波器AC耦合模式测量VOUT纹波，探头使用短地线（避免环路干扰）。
记录峰峰值（Vpp）和频率成分。
优化措施
增加输入/输出电容，选择低ESR电容。
优化PCB布局（减少电源路径寄生电感）。
LDO功耗计算与散热设计
功耗公式
PD = (VIN - VOUT) × IOUT + VIN × IGND
注意：IGND通常远小于IOUT，可简化为PD ≈ (VIN - VOUT) × IOUT。
结温估算
Tj = TA + PD × θJA
若Tj > 最大结温（如125℃），需降低功耗或增强散热。
LDO布局（LAYOUT）注意事项
关键原则
减少寄生参数（电感、电阻），优先考虑电源路径。
具体措施
输入/输出电容：尽量靠近LDO引脚，使用短而宽的走线。
地平面：单点接地，避免数字地与模拟地交叉。
反馈网络：反馈电阻靠近LDO，走线远离噪声源。
散热设计：大面积铺铜连接散热焊盘，必要时添加过孔散热。
散热增强方案
PCB铜箔散热计算：
散热片与过孔阵列：在散热焊盘下方添加多排过孔（直径0.3mm，间距1mm）至底层铜箔。
典型应用场景与问题规避
电池供电设备
选择低IQ、低VDO的LDO（如TPS7A05）。
高精度ADC供电
高PSRR、低噪声LDO（如LT3045）。
常见问题
振荡：输出电容ESR不匹配导致，需按Datasheet推荐值选型。
过热：检查功耗与散热设计，或更换更大封装。
LDO的失效模式与可靠性
反向电压保护
输入意外反接可能烧毁调整管，需添加肖特基二极管或选择内置保护的LDO（如MIC5233）。
短路保护机制
折返式限流（Foldback Current Limit）：短路时降低限流值以减少功耗，但可能导致启动失败。
恒流限流（Constant Current Limit）：更易兼容容性负载。
前沿技术：数字可调LDO与智能电源管理
数字接口LDO（如TPS7A8300）
通过I²C调节输出电压、限流值，支持动态电压缩放（DVS）。
集成电流检测的LDO
提供负载电流的实时监控，用于系统功耗优化。
实战案例：为IoT设备设计超低功耗LDO供电
需求分析
输入电压：2.5~5.5V（锂离子电池），输出电压：1.8V@50mA，IQ<1μA。
选型对比
TPS7A02：IQ=250nA，VDO=150mV@50mA。
电容计算与布局
CIN=1μF 0805陶瓷电容，COUT=2.2μF X5R，反馈电阻走线长度<5mm。