1.前言

電子設備不管是由交流市電經過整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內變化。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負載變化的影響。為了保證供電電壓穩定不變，幾乎所有的電子設備都采用穩壓器供電。小型精密電子設備還要求電源非常干凈（無紋波、無噪聲），以免影響電子設備正常工作。為了滿足精密電子設備的要求，應在電源的輸入端加入線性穩壓器，以保證電源電壓恒定和實現有源噪聲濾波。LDO就是最常用的線性穩壓器，本文論述了低壓差線性穩壓器(LDO)的基本原理和主要參數，并介紹LDO的典型應用和常用設計。

2.術語、定義和縮略語

本文使用的專用術語、定義見表2.1。

表 2.1 專用術語、定義及縮略語

3.穩壓器的分類

穩壓器是用于提供一種不隨負載阻抗、輸入電壓、溫度和時間變化而變化穩定的電源電壓。它的分類可以有很多種，可以按材料分類，按工作狀態分類，按電流分類等等，下面就幾種典型分類來進行說明，以使大家能夠對本文所要重點講述的LDO有更深一步的認識。

3.1.線性穩壓電源和非線性穩壓電源

穩壓器的核心是調整管，調整管是三極管用在電源調壓穩壓負荷時的稱謂，此時它的作用是調整電源電流、電壓的，故稱調整管。根據穩壓器內調整管的工作狀態，我們常把穩壓電源分成兩類：線性穩壓電源和非線性穩壓電源。

3.1.1.非線性穩壓器

顧名思義，線性穩壓電源，是指調整管工作在線性狀態下的穩壓電源；非線性穩壓器，是調整管工作在非線性狀態下的穩壓器。

開關電源是最典型的非線性穩壓器，在工作時，開關管（在開關電源中，我們一般把調整管叫做開關管）工作在開、關兩種狀態下：

開——電阻很小；關——電阻很大。

開關電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優點。但是由于電路工作在開關狀態，所以噪聲比較大。 通過下圖，我們來簡單的說說降壓型開關電源的工作原理。

圖3.1 開關電源基本原理

如圖3.1所示，電路由開關K（實際電路中為三極管或者場效應管），續流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構成。當開關閉合時，電源通過開關K、電感L給負載供電，并將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續流。這電流流過負載，從地線返回，流到續流二極管D的正極，經過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現了穩壓的目的。

在開關閉合期間，電感存儲能量；在開關斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關斷開期間，負責給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續流二極管。

在實際的開關電源中，開關K由三極管或場效應管代替。當開關斷開時，電流很小；當開關閉合時，電壓很小，所以發熱功率U×I就會很小。這就是開關電源效率高的原因。

3.1.2.線性穩壓電源

通常所說的線性穩壓器，是指調整管工作在線性狀態下的直流穩壓電源。調整管工作在線性狀態下，可這么來理解：RW（見下面的分析）是連續可變的，亦即是線性的。

線性穩壓電源調節電壓的原理可以用圖3.2來表述。

圖3.2線性穩壓器原理

如上圖所示，可變電阻RW跟負載電阻RL組成一個分壓電路，輸出電壓為：Uo=Ui×R L /(R W +R L )。因此通過調節RW的大小，即可改變輸出電壓的大小。請注意，在這個式子里，如果我們只看可調電阻RW的值變化，Uo的輸出并不是線性的，但如果把RW和RL一起看，則是線性的。還要注意，這個圖并沒有將RW的引出端畫成連到左邊，而畫在右邊。雖然這從公式上看并沒有什么區別，但畫在右邊，卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念----實際中的電源，絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的，使用前饋方法很少，或就是用了，也只是輔助方法而已。

如果用一個三極管或者場效應管，來代替圖中的可變阻器，并通過檢測輸出電壓的大小，來控制這個“變阻器”阻值的大小，使輸出電壓保持恒定，這樣就實現了穩壓的目的。這個三極管或者場效應管是用來調整電壓輸出大小的，所以叫做調整管。

像圖3.2所示的那樣，由于調整管串聯在電源跟負載之間，所以叫做串聯型穩壓電源。相應的，還有并聯型穩壓電源，就是將調整管跟負載并聯來調節輸出電壓。所謂并聯的意思，就是像圖3.3中的穩壓管那樣，通過分流來保證衰減放大管射極電壓的“穩定”。

由于調整管相當于一個電阻，電流流過電阻時會發熱，所以工作在線性狀態下的調整管，一般會產生大量的熱，導致效率不高。這是線性穩壓電源最主要的一個缺點。

3.3 并聯型線性穩壓器

一般來說，線性穩壓電源由調整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。圖3.3是一個比較簡單的線性穩壓電源原理圖（示意圖，省略了濾波電容等元件），取樣電阻通過取樣輸出電壓，并與參考電壓比較，比較結果由誤差放大電路放大后，控制調整管的導通程度，使輸出電壓保持穩定。

線性穩壓器的一個最大缺點是調整管相當于一個電阻，電流流過電阻時會發熱，因此在電路中使用受到效率的制約。近年來，低壓差（Low-dropout）穩壓器（LDO）和準LDO（quasi-LDO）出現讓線性穩壓器大量的應用在電路中，后面的章節會詳細介紹。

3.1.3.開關電源的優缺點

開關電源具有功耗小，效率高的優點。在圖3.1中的開關穩壓電源電路中，開關K在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通截止和截止導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關晶體管K的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80％。

體積小，重量輕。從開關穩壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調整管K上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關穩壓電源的體積小，重量輕。

穩壓范圍寬。從開關穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓范圍很寬，穩壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。這樣，開關穩壓電源不僅具有穩壓范圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩壓電源。

濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關穩壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關穩壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩壓電源中濾波電容的1／500，1／1000。

電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源。

開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管K工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。

3.2.線性穩壓器的基本原理

幾乎所有的穩壓器將輸出電源穩定都利用了相同的技術，穩壓器輸出電壓通過反饋到誤差放大器輸入端的分壓電阻采樣。誤差放大器的正端連接到一個參考電壓。這個參考電壓是由內部的帶隙參考源產生的。誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此，它提供負載電流以保證輸出電壓穩定。

如圖3.4所示，取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Vref相比較，兩者的差值經放大器A放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續進行，調整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制

圖3.4 穩壓器的基本原理框圖

Uout = Vref(1+R1/R2)

3.3.線性穩壓器的分類

線性穩壓器有很多種分類方式，例如可按靜態電流分類，可以分為OmniPower、MicroPower 、NanoPower三種產品；也可以按照壓差進行分類，分為標準穩壓器，準LDO和LDO，即低壓差線性穩壓器；還可以按照調整管的類型分類。

OmniPower LDO的靜態電流在100uA1mA之間，是一種靜態電流稍大但性能優于三端穩壓器的新型線性穩壓器，適用于使用AC/DC固定電源的所有電子產品，因其需求量大，生產量大，而生產成本極低，價格十分便宜。MicroPower LDO的靜態電流在10uA100uA之間，是一種微功耗的低壓差線性穩壓器，它具有極低的自有噪音和較高的電源紋波抑制(PSRR)，具有快捷的使能控制功能，給它一個高(或者低)的電平可使它進入工作狀態或睡眠狀態，具有最好的性能/功率比，在需要低噪音的手機電源中必然使用。NanoPower LDO的靜態電流小于10uA，通常只有1uA，是一種微功耗的低壓差線性穩壓器，具有極低的靜態電流，穩壓十分精確，最適用于需要節電的手提電子、電器產品。

標準穩壓器大多使用NPN 達林頓管（圖3.5），因此在本文中稱其為NPN 穩壓器。在NPN穩壓器的內部使用一個PNP管來驅動NPN達林頓，因此器件的輸入輸出之間會有1.5V到2.5V的壓差。這個壓差（dropout voltage）為：

Vdrop ＝ 2VBE ＋VSAT（NPN REG）

圖3.5 NPN穩壓器

準LDO在一些應用中被廣泛的采用（例如：5V變3.3V）（圖3.6）。準LDO因為它介于NPN穩壓器和LDO之間因此得名。它的調整管是由單個PNP管來驅動單個NPN管。因此，它的跌落壓降介于NPN穩壓器和LDO之間：

Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat

3.6 準LDO

在LDO中，調整管一般是一個PNP管（圖3.7）。LDO的最大優勢就是PNP管只會帶來很小的導通壓降：

Vdrop ＝ Vsat （LDO 穩壓器）

圖3.7 PNP LDO

滿載的跌落壓降一般小于500mV。輕載時的壓降只有10到20mV。

3.4. LDO的結構

LDO的結構區別，主要是調整管的類型不同。常見的有如圖3.8所示四種類型調整管： NPN雙極型晶體管、PNP雙極型晶體管、復合晶體管和PMOS晶體管，不同結構和類型的LDO有不同特性。

圖3.8調整管的類型

對于給定的電源電壓，雙極型調整管可提供最大的輸出電流。PNP優于NPN，因為PNP的基極可以與地連接，必要時使晶體管完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接，從而使最小壓降限制到一個VBE結壓降。因此，NPN管和復合調整管不能提供小于1 V的壓差。然而它們在需要寬帶寬和抗容性負載干擾時非常有用（因為它們具有低輸出阻抗ZOUT特性）。

近年來很多新型LDO使用PMOS晶體管作為調整管。如圖3.9所示。

圖3.9 PMOS晶體管LDO

為了了解使用PMOS晶體管 LDO的好處，必須先注意到在PNP LDO（如圖2.5）中要驅動PNP功率管就需要基極電流。基極電流由地腳流出并反饋回輸入電壓的負端。因此，這些基極驅動電流并未用來驅動負載。它在LDO中耗損的功耗由下式計算：

PWR（BaseDrive）＝Vin×Ibase

需要驅動PNP管的基極電流等于負載電流除以β值（PNP管的增益）。在一些PNP LDO中該β值一般為15-20（與負載電流相關）。由此基極驅動電流產生的功耗不是所期望的（尤其是在電池供電應用中）。使用PMOS晶體管可以解決這個問題，因為它的柵極驅動電流很小。

PMOS晶體管 LDO另一個好處是通過調整FET的導通阻抗可以將穩壓器的跌落電壓作的很小。對于集成的穩壓器而言，在單位面積上制造的FET的導通阻抗會比PNP三極管的導通阻抗低。這就可以在更小封裝下產生更大的電流。

3.5.幾種線性穩壓器的性能比較

NPN，LDO和準LDO在參數上的最大不同就是：跌落電壓（dropout voltage）和地腳電流（ground pin current）。

圖 3.10 穩壓器

為了便于分析，定義地腳電流為IGND ，如圖3.10表示。并忽略了IC漏到地上的偏置電流。可以很清楚的知道，IGND等于負載電流IL除以調整管的增益。

在NPN穩壓器中由于達林頓管的增益很高，所以它只需很小的電流來驅動負載電流。因此它的地腳電流也很低（一般只有幾個mA）。準LDO也有較好的性能，就像國半的LM1085可以輸出3A的電路卻只有10mA的地電流。LDO的地腳電流一般會較高。在滿載時，PNP管的β值一般也就15-20。也就是說LDO的地腳電流一般為負載電流的7%。

NPN穩壓器的最大好處就是無條件的穩定（不需外部電容）。LDO在輸出端最少需要一個外部電容以減少回路帶寬（loop bandwidth）及提供一些正相位補償（positive phase shift）。準LDO一般也需要一些輸出容性，但是要小于LDO的要求，并且電容的特性局限也要少些。

關于各種結構線性穩壓器差別，可以見下面的表3.1。隨著工藝日趨成熟，CMOS LDO成本越來越低，它的應用會越來越廣泛。

表3.1 各種結構線性穩壓器區別