| 低壓差穩(wěn)壓器（通常稱為LDO）廣泛用于許多行業(yè)的各類電子應(yīng)用。一般認(rèn)為，LDO是調(diào)節(jié)和控制由較高輸入電壓電源提供的輸出電壓的一種簡單而便宜的方法。但是，成本和簡單性并非其得到廣泛使用的唯一原因。事實上，如今的系統(tǒng)隨著每種新設(shè)計的出現(xiàn)而變得越來越復(fù)雜、對噪聲的反應(yīng)更加敏感并且更加耗電。各種功率水平的開關(guān)電源的廣泛使用，意味著設(shè)計工程師必須花更多時間考慮如何避免噪聲耦合和干擾，同時還要提高系統(tǒng)效率，所以成本和簡單性不是唯一的推動因素。
對大多數(shù)應(yīng)用而言，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的基本參數(shù)的規(guī)格明白易懂。遺憾的是，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表并不會列出針對每種可能的電路條件的參數(shù)。因此，若要發(fā)揮LDO的最大優(yōu)勢，就必須理解主要性能參數(shù)及其對既定負(fù)載的影響。設(shè)計工程師需要通過嚴(yán)密分析周圍電路條件，來確定LDO是否適合特定負(fù)載。
本文分析了LDO的主要性能參數(shù)，以及它們對于向電子系統(tǒng)中的各種器件提供干凈的輸出電壓的影響，另外還將討論設(shè)計工程師在優(yōu)化系統(tǒng)時（特別是在電流水平較高時）必須考慮的因素。
如何在應(yīng)用中使用LDO
在大多數(shù)應(yīng)用中，LDO主要用于將靈敏的負(fù)載與有噪聲的電源相隔離。與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，線性穩(wěn)壓器會在通路晶體管或MOSFET（用來調(diào)節(jié)和保持輸出電壓來達(dá)到所需的精度）中造成功率耗散。因此，就效率而言，LDO的功率耗散會是一個顯著劣勢，并可能導(dǎo)致熱問題。所以，設(shè)計工程師需要通過盡可能降低LDO功率耗散，來提升系統(tǒng)效率和避免熱復(fù)雜性，這一點很重要。
LDO是用于電壓調(diào)節(jié)的最老和最常用器件；然而，其許多主要性能參數(shù)并未得到人們的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。盡管成本是一項非常重要的因素，但推動LDO使用的主要因素是系統(tǒng)的功率要求和受電負(fù)載可接受的噪聲水平。LDO還可用于降噪，以及修復(fù)由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線造成的問題。
對于電流消耗非常低的負(fù)載，LDO的功率耗散非常小，所以由于其簡單、成本低和易用性而成為必然之選。但是，對于電流消耗大于500mA的負(fù)載，其他因素變得更重要，有時甚至很關(guān)鍵。在這類應(yīng)用中，系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)對那些在較高電流水平條件下重要性會提升的性能參數(shù)多加考慮，如壓差、負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)性能。
LDO是線性穩(wěn)壓器的一種，所以人們常常拿它與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，特別是在成本方面。很重要的一點是要理解通路元件是LDO的核心，且該核心及其周圍電路對LDO的性能具有決定性影響。
LDO內(nèi)部
LDO包含三個基本功能元件：一個參考電壓、一個通路元件和一個誤差信號放大器，如圖1所示。正常工作期間，通路元件充當(dāng)電壓控制器電流源。通路元件由來自誤差信號放大器的補(bǔ)償控制信號驅(qū)動，誤差信號放大器可感測輸出電壓并將其與參考電壓進(jìn)行比較。所有這些功能塊都會影響LDO的性能。LDO生產(chǎn)商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表始終包括相應(yīng)規(guī)格，用以說明這些功能元件的性能。
圖1：LDO框圖。
從圖2可以看出，LDO穩(wěn)壓器設(shè)計中通常有四種不同的通路元件：基于NPN型晶體管的穩(wěn)壓器、基于PNP型晶體管的穩(wěn)壓器、N通道基于MOSFET的穩(wěn)壓器和P通道基于MOSFET的穩(wěn)壓器。
圖2：LDO穩(wěn)壓器中使用的四種不同的晶體管。
通常，基于晶體管的穩(wěn)壓器比基于MOSFET的穩(wěn)壓器具有更高的壓差。另外，基于晶體管的穩(wěn)壓器的晶體管通路元件的基極驅(qū)動電流與輸出電流成比例。這會直接影響基于晶體管的穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流。相比之下，MOSFET通路元件使用隔離柵極驅(qū)動的電壓，使其靜態(tài)電流顯著低于基于晶體管的穩(wěn)壓器。
壓差
壓差是指在進(jìn)一步減小輸入電壓會造成輸出電壓失穩(wěn)時的輸入電壓與輸出電壓之差。在壓差條件中，通路元件在線性區(qū)工作，相當(dāng)于一個電阻。對于現(xiàn)在的LDO，通路元件通常采用PMOS或NMOS FET來實現(xiàn)，這可實現(xiàn)低至30mV到500mV的壓差。圖3顯示了使用PMOS FET作為通路元件的ISL80510 LDO的壓差。
圖3：ISL80510壓差。
負(fù)載調(diào)整率
負(fù)載調(diào)整率是指在給定負(fù)載變化下的輸出電壓變化，這里的負(fù)載變化通常是從無負(fù)載到滿負(fù)載，對應(yīng)的負(fù)載調(diào)整率如方程式1所示：
負(fù)載調(diào)整率體現(xiàn)了通路元件的性能和穩(wěn)壓器的閉環(huán)DC增益。閉環(huán)DC增益越高，負(fù)載調(diào)整率越好。
線性調(diào)整率
線性調(diào)整率是指在給定輸入電壓變化下的輸出電壓變化，如方程式2所示：
由于線性調(diào)整率還取決于通路元件的性能和閉環(huán)DC增益，在考慮線性調(diào)整率時常常不包括壓差操作。因此，線性調(diào)整率的最小輸入電壓必須高于壓差。
電源抑制比（PSRR）
PSRR表示LDO抑制由輸入電壓造成的輸出電壓波動的能力，如方程式3所示。線性調(diào)整率只有在直流電時才需要考慮，但PSRR必須在寬頻率范圍上考慮。
考慮傳統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)，小信號輸出電壓V ?_out可由方程式4表示：
其中V ?_in是小信號輸入電壓，G_vg是從輸入到輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)，k_v是輸出電壓感測增益，G_C是補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，G_oc是從控制信號到輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)，k_v×G_C×G_oc是閉環(huán)傳遞函數(shù)T(s)。
從式3和式4可以看出，很顯然PSRR由閉環(huán)增益T(s)和從輸入到輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)的倒數(shù)〖1/G〗_vg組成，如圖4所示。閉環(huán)傳遞函數(shù)在較低頻率下占支配地位，從輸入到輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)在較高頻率下占支配地位。
圖4：PSRR vs. 頻率。
噪聲
該參數(shù)通常是指LDO本身在輸出電壓上產(chǎn)生的噪聲，是帶隙電壓參考的內(nèi)在特征。式4顯示了參考電壓與輸出電壓的關(guān)系。遺憾的是，閉環(huán)傳遞函數(shù)對于抑制從參考電壓到輸出電壓的噪聲效果不大。因此，大多數(shù)低噪聲LDO都需要一個額外濾波器來防止噪聲進(jìn)入閉環(huán)。
瞬態(tài)響應(yīng)
LDO普遍用于負(fù)載點調(diào)節(jié)比較重要的應(yīng)用中，例如為數(shù)字IC、DSP、FPGA 和低功率 CPU供電。此類應(yīng)用中的負(fù)載有多種工作模式，需要不同的供電電流。因此，LDO必須快速響應(yīng)，以使供電電壓保持在要求的限制范圍之內(nèi)。這使LDO的瞬態(tài)行為成為關(guān)鍵性能參數(shù)之一（圖5）。
如同在所有閉環(huán)系統(tǒng)中一樣，瞬態(tài)響應(yīng)主要取決于閉環(huán)傳遞函數(shù)的帶寬。要想實現(xiàn)最佳瞬態(tài)響應(yīng)，閉環(huán)回路帶寬必須盡可能高，同時還要確保有足夠相位余量，以保持穩(wěn)定性。
圖5：ISL80510瞬態(tài)響應(yīng)（2.2Vin, 1.8Vout）。
靜態(tài)電流
LDO的靜態(tài)電流（或接地電流）是通路元件的偏流和驅(qū)動電流的組合，通常保持盡可能低的水平。另外，當(dāng)PMOS或NMOS FET用作通路元件時，靜態(tài)電流相對來說不太受負(fù)載電流的影響。因為靜態(tài)電流不會流向輸出，所以它會影響LDO的效率，如方程式5所示：
LDO內(nèi)部的功率耗散定義為：
要想優(yōu)化LDO的效率，必須將靜態(tài)電流以及輸入電壓與輸出電壓之差降到最低。輸入電壓與輸出電壓之差對效率和功率耗散有直接影響，所以一般選擇最低壓差。
盡管LDO不能像開關(guān)模式電源（SMPS）那樣提供較高的效率轉(zhuǎn)換，但它對于很多現(xiàn)在的電路來說依然是必不可少的穩(wěn)壓器。在對噪聲敏感的應(yīng)用中，使SMPS實現(xiàn)必要的輸出紋波來滿足嚴(yán)格的噪聲規(guī)格要求非常具有挑戰(zhàn)性。因此，對SMPS的輸出添加一個LDO作為有源濾波器的情況并不少見。該LDO在SMPS開關(guān)頻率下必須具備較高的PSRR。
LDO特別適用于那些需要將輸出電壓調(diào)整到略低于輸入電壓的應(yīng)用。雖然降壓和升壓轉(zhuǎn)換器對最大/最小占空比有限制，但若其輸入電壓接近輸出電壓，則會導(dǎo)致輸出電壓失穩(wěn)。
結(jié)束語
盡管概念和實現(xiàn)都比較簡單，但得到廣泛使用的LDO在系統(tǒng)電源設(shè)計中肩負(fù)著至關(guān)重要的功能。進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時需要考慮許多因素，特別是在電流水平較大的情況下。對于中到高電流應(yīng)用，Intersil的ISL80510/05對所有主要LDO性能參數(shù)都能提供均衡的性能，包括低壓差、瞬態(tài)性能、電壓精度以及寬頻率范圍內(nèi)接近平坦的PSRR響應(yīng)。 |
