前沿

第三篇，LDO工作原理比較簡單。一些性能指標比較重要，面試的時候經(jīng)常會被問。

LDO

1、簡介

LDO(low dropout regulator-低壓差穩(wěn)壓器) 是一種線性穩(wěn)壓器，使用在其飽和區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或場效應(yīng)管(FET)，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

DC-DC的意思是直流變(到)直流(不同直流電源值的轉(zhuǎn)換)，只要符合這個定義都可以叫DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括LDO。但是一般的說法是把直流變(到)直流由開關(guān)方式實現(xiàn)的器件叫DC-DC。

LDO是低壓降的意思，這有一段說明：低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩(wěn)壓器可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA(TI的TPS78001達到Iq=0.5uA)，電壓降只有100mV。 LDO線性穩(wěn)壓器的性能之所以能夠達到這個水平，主要原因在于其中的調(diào)整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩(wěn)壓器是使用PNP晶體管。P溝道MOSFET是電壓驅(qū)動的，不需要電流，所以大大降低了器件本身消耗的電流;另一方面，采用PNP晶體管的電路中，為了防止PNP晶體管進入飽和狀態(tài)而降低輸出能力， 輸入和輸出之間的電壓降不可以太低;而P溝道MOSFET上的電壓降大致等于輸出電流與導(dǎo)通電阻的乘積。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻很小，因而它上面的電壓降非常低。

2、工作框圖

LDO內(nèi)部基本都是由4大部件構(gòu)成，分別是分壓取樣電路、基準電壓、誤差放大電路和晶體管調(diào)整電路。

分壓取樣電路---通過電阻R1和R2對輸出電壓進行采集，

誤差放大電路---將采集的電壓輸入到比較器反向輸入端，與正向輸入端的基準電壓進行比較，再將比較結(jié)果進行放大，

晶體管調(diào)整電路---把這個放大后的信號輸出到晶體管的控制極(也就是PMOS管的柵極或者PNP型三極管的基極)，從而這個放大后的信號(電流)就可以控制晶體管的導(dǎo)通電壓了

這就是一個負反饋調(diào)節(jié)回路。晶體管輸出電壓就是輸入電壓減去導(dǎo)通電壓，因此控制了導(dǎo)通電壓就相當于控制了LDO的輸出電壓了。

3、性能指標

最小壓差(dropout voltage)：

指輸入電壓進一步下降而造成LDO不能再調(diào)節(jié)時的輸入至輸出電壓差。

壓差越大，效率越低(本身吃掉了很多能量電流×晶體管壓降)，壓差越小，LDO電壓轉(zhuǎn)換效率越高以及能量損耗越小。

電源抑制比(PSRR Power supply rejection ratio)：

PSRR是用來量化LDO對不同頻率的輸入電源紋波的抑制能力的，它反映了LDO不受噪聲和電壓波動、保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。

PSRR = 20 × log(ΔVIN / ΔVOUT )根據(jù)公式可知，PSRR越大，表明LDO對于紋波的抑制效果越好。

輸入電壓范圍：穩(wěn)壓器輸入端可以輸入的電壓范圍。

輸出電壓：穩(wěn)壓器輸出端的輸出電壓值。

最大輸出電流：穩(wěn)壓器輸出端的最大輸出電流值。

線性調(diào)整率：穩(wěn)壓器輸入變化對輸出的影響，即在負載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比。線性調(diào)整率越小越好。

負載調(diào)整率：是指在給定負載變化下的輸出電壓的變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載。負載調(diào)整率越小越好。

瞬態(tài)響應(yīng)：表示負載電流突變時引起的輸出電壓的最大變化，它是輸出電容及其等效串聯(lián)電阻和旁路電容的函數(shù)。其中輸出電容的作用是提高負載瞬態(tài)響應(yīng)的能力，也起到了高頻旁路的作用。

靜態(tài)電流：它包括基準電壓源、誤差放大器、輸出分壓器以及過流過溫檢測等電路的工作電流。靜態(tài)電流越大，穩(wěn)壓器的效率越低。靜態(tài)電流由拓撲結(jié)構(gòu)、輸入電壓和溫度確定。

最大耗散功率：為了確保LDO節(jié)點溫度不至于過高而損壞，LDO都必須計算最大耗散功率。LDO的實際耗散功耗要小于最大耗散功率，否則可能損壞LDO芯片。

4、拓展：

其他工作框圖

Thermal shutdown 過熱保護

UVLO 欠壓保護

Current limit 電流限制

5、Bandgap 帶隙基準

Bandgap voltage reference 最經(jīng)典的帶隙基準是利用一個具有正溫度系數(shù)的電壓與具有負溫度系數(shù)的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓基準，約為1.25V。

PN結(jié)二極管產(chǎn)生壓降V(BE),溫度洗漱為-2.0mV/℃;熱電壓V(T)=KT/q，溫度系數(shù)為+0.085mV/℃。

V(REF)= V(BE)+K V(T);k=2.2/0.085=23.5

在理論實現(xiàn)零溫度系數(shù)V(REF)=0.65+0.026*23.5=1.26V

由于該電壓等于硅的帶隙電壓，故稱為“帶隙基準電路”

模擬電路廣泛的包含電壓基準和電流基準。這種基準是直流量，與電源和工藝參數(shù)關(guān)系很小，但是和溫度的關(guān)系是確定的。

產(chǎn)生基準的目的是建立一個與電源和工藝無關(guān)，具有確定溫度特性的直流電壓或電流。在大多數(shù)應(yīng)用中，所要求的溫度關(guān)系采取下面三種形式中的一種：

1)與絕對溫度成正比;

2)常數(shù)Gm特性，也就是，一些晶體管的跨導(dǎo)保持常數(shù);

3)與溫度無關(guān)。

要實現(xiàn)基準電壓源所需解決的主要問題是如何提高其溫度抑制與電源抑制，即如何實現(xiàn)與溫度有確定關(guān)系且與電源基本無關(guān)的結(jié)構(gòu)。由于在現(xiàn)實中半導(dǎo)體幾乎沒有與溫度無關(guān)的參數(shù)，因此只有找到一些具有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的參數(shù)，通過合適的組合，可以得到與溫度無關(guān)的量，且這些參數(shù)與電源無關(guān)。