LDO电路分析

一、LDO概述

在电压转换电路中,LDO和DC-DC电路是最常用的两种方式,本篇主要介绍LDO相关内容。

LDO是线性电源的一种,它可以实现电源电压的转换,不过主要用在降压领域。它的全称是Low Dropout Regulaor,就是低压差线性稳压器,这个低压差就表示它的输入输出电势差不会太大,所以叫低压差。

在理解上可以看作LDO=低压差+线性+稳压器。

那LDO有哪些特点呢?

对于LDO电路,相对与DCDC电路,它具备成本低,噪音低,静态电流小等优点,并且在实际运用中,它需要的外接元件也更少,通常仅仅需要一两个旁路电容就可以了。

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电路组成部分

通过对于上面LDO电路的举例,就可以理解LDO内部有四个部分组成:分别是基准参考电压,误差放大器,分压抽取电路和晶体管调整电路。

基准参考电压:就是正向输入端的电压,也是LDO的输入电压,也称基准电压。

误差放大器:将采集到的电压输入到比较器反向输入端,与正向输入端的基准电压进行比较,再将比较结果放大,如果反向输入端电压增大,则会导致运放的输出端减小。

分压抽取电路:就是电路图中的R1,R2,通过它们对输出电压进行采集

晶体管调整电路:运放放大后的信号会输送到晶体管的基极,从而放大后的信号可以控制晶体管的导通电压,形成一个负反馈调节回路。

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( ΔV LR )、负载调整率( ΔV LDR )、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( ΔV TC )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% 。

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