低壓差穩(wěn)壓器(LDO)廣泛見于許多產(chǎn)業(yè)的各類電子應(yīng)用；一般認為，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，成本和簡易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)電源之廣泛使用，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，所以成本和簡易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)表上的基本參數(shù)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之參數(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)及其對既定負載的影響。 設(shè)計工程師需要透過嚴密分析周遭電路條件，來確定LDO是否適合特定負載。 本文分析了LDO的主要性能參數(shù)，以及它們對于為電子系統(tǒng)中各種組件提供干凈輸出電壓的影響；另外還將討論工程師在進行系統(tǒng)優(yōu)化時─特別是當電流水平較高時─必須考慮的因素。 LDO在各種應(yīng)用中扮演的角色 在大多數(shù)應(yīng)用中，LDO主要用于將靈敏的負載與有噪聲的電源相隔離；與切換式穩(wěn)壓器(switching regulators)不同，線性穩(wěn)壓器會在傳輸晶體管(pass transistor)或用以調(diào)節(jié)、維持輸出電壓以達到所需精度的MOSFET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)的最老牌、最常用組件，然而它的許多主要性能參數(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載可接受的噪聲水平。 LDO還可用于降低噪聲，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，如壓差電壓、負載調(diào)節(jié)和瞬時性能。 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，要理解導(dǎo)通組件(pass element)是LDO的核心，且該核心組件及其周遭電路對LDO的性能具有決定性影響。 LDO里有什么？ LDO包含三個基本功能組件：一個參考電壓、一個導(dǎo)通組件和一個誤差放大器(error amplifier)，如圖1所示；正常運作期間，導(dǎo)通組件充當電壓控制器電流源。 導(dǎo)通組件由來自誤差放大器的補償控制訊號驅(qū)動，誤差訊號放大器可感測輸出電壓并將其與參考電壓進行比較；所有這些功能區(qū)塊都會影響LDO的性能。 LDO供貨商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表一定會包括象征這些功能組件性能的規(guī)格。 圖1 LDO功能區(qū)塊圖。 圖2顯示LDO穩(wěn)壓器設(shè)計中通常有四種不同的導(dǎo)通組件：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信道基于MOSFET的穩(wěn)壓器，和P信道基于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)壓器晶體管導(dǎo)通組件的基極驅(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。 相較之下，MOSFET導(dǎo)通組件使用隔離閘極驅(qū)動的電壓，使其靜態(tài)電流顯著低于以晶體管為基礎(chǔ)的穩(wěn)壓器。 主要LDO性能參數(shù) 壓差 壓差是指當進一步減小輸入電壓會造成輸出電壓失穩(wěn)的輸入電壓與輸出電壓之差別；在壓差條件中，導(dǎo)通組件在線性區(qū)工作，相當于一個電阻。 對于現(xiàn)在的LDO，導(dǎo)通組件通常采用PMOS或NMOSFET來實現(xiàn)，這可實現(xiàn)低至30m~500mV的壓差。 圖 3顯示了使用PMOS FET作為導(dǎo)通組件的ISL80510 LDO的壓差。 圖 3 I SL80510壓差。 負載調(diào)節(jié)率 負載調(diào)節(jié)率是指在既定負載變化下的輸出電壓變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載，對應(yīng)的負載調(diào)節(jié)率如方程序1所示： 方程序1 負載調(diào)節(jié)率顯示了導(dǎo)通組件的性能和穩(wěn)壓器的閉回路DC增益；當閉回路DC增益越高，負載調(diào)節(jié)率越好。 線性調(diào)節(jié)率 線性調(diào)節(jié)率是指在既定輸入電壓變化下的輸出電壓變化，如以方程序2所示： 方程序2 由于線性調(diào)節(jié)率還取決于導(dǎo)通組件的性能和閉回路DC增益，在考慮線性調(diào)節(jié)率時常常不包括壓差操作，因此線性調(diào)節(jié)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，如方程序3所示；線性調(diào)節(jié)率只有在直流電時才需要考慮，但PSRR必須在寬帶率范圍上考慮。 方程序3 考慮傳統(tǒng)的閉回路系統(tǒng)，小訊號輸出電壓Vout可由方程序4表示： 方程序4 其中Vin是小訊號輸入電壓，Gvg是從輸入到輸出電壓的開回路轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)，k v是輸出電壓感測增益，GC是補償器的轉(zhuǎn)移函數(shù)，Goc是從控制訊號到輸出電壓的開回路轉(zhuǎn)移函數(shù)，kv×GC×Goc是閉回路轉(zhuǎn)移函數(shù)T(s)。 從方程序3和4可以看出，顯然PSRR由閉回路增益T(s)和從輸入到輸出電壓的開回路轉(zhuǎn)移函數(shù)的倒數(shù)1/ Gvg組成，如圖4所示。 閉回路轉(zhuǎn)移函數(shù)在較低頻率下占據(jù)主導(dǎo)地位，從輸入到輸出電壓的開回路轉(zhuǎn)移函數(shù)在較高頻率下占主導(dǎo)地位。 圖4 PSRR vs.頻率。 噪聲 此參數(shù)通常是指LDO本身在輸出電壓上產(chǎn)生的噪聲，是能隙電壓參考的固有特性。 方程序4顯示了參考電壓與輸出電壓的關(guān)系。 遺憾的是，閉回路轉(zhuǎn)移函數(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都需要一個額外的濾波器來防止噪聲進入閉回路。 瞬時響應(yīng) LDO普遍用于負載點調(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的瞬時行為成為關(guān)鍵性能參數(shù)之一。 如同在所有閉回路系統(tǒng)中一樣，瞬時響應(yīng)主要取決于閉回路轉(zhuǎn)移函數(shù)的帶寬；要想實現(xiàn)最佳瞬時響應(yīng)，閉回路帶寬必須盡可能高，同時還要確保有足夠相位余裕(phase margin)，以保持穩(wěn)定性。 圖5 ISL80510瞬時響應(yīng)(2.2Vin, 1.8Vout)。 靜態(tài)電流 LDO的靜態(tài)電流(或接地電流)是導(dǎo)通組件的偏置電流偏流與驅(qū)動電流的結(jié)合，通常保持盡可能低的水平。 另外，當PMOS或NMOSFET被用做導(dǎo)通組件時，靜態(tài)電流相對來說不太受負載電流的影響。 因為靜態(tài)電流不會流向輸出，所以它會影響LDO的效率，如方程序5所示： 方程序5 LDO內(nèi)部的功率耗散定義為 Vin×(Iq Iout)-Vout×Iout。 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別降到最低。 輸入電壓與輸出電壓之差別對效率和功率耗散有直接影響，所以一般選擇最低壓差。