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(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(jiǎn)單而便宜的方法。 但是，成本和簡(jiǎn)易性并非其得到廣泛使用的唯一原因。 事實(shí)上，如今的系統(tǒng)隨著每種新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)而變得越來越復(fù)雜、對(duì)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(jì)工程師必須花更多時(shí)間考慮如何避免噪聲耦合和干擾，同時(shí)還要提高系統(tǒng)效率，所以成本和簡(jiǎn)易性不是唯一的推動(dòng)因素。 對(duì)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(huì)列出針對(duì)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(shì)，就必須理解主要性能參數(shù)及其對(duì)既定負(fù)載的影響。 設(shè)計(jì)工程師需要透過嚴(yán)密分析周遭電路條件，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(duì)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(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)─特別是當(dāng)電流水平較高時(shí)─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(fù)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(huì)在傳輸晶體管(pass transistor)或用以調(diào)節(jié)、維持輸出電壓以達(dá)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(huì)是一個(gè)顯著劣勢(shì)，并可能導(dǎo)致熱問題；所以設(shè)計(jì)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(diǎn)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(xiàng)非常重要的因素，但推動(dòng)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(duì)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(jiǎn)單、成本低和易用性而成為必然之選。 但是，對(duì)于電流消耗大于500mA的負(fù)載，其他因素變得更重要，有時(shí)甚至很關(guān)鍵。 在這類應(yīng)用中，系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)對(duì)那些在較高電流水平條件下重要性會(huì)提升的性能參數(shù)多加考慮，如壓差電壓、負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬時(shí)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(diǎn)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(duì)LDO的性能具有決定性影響。 LDO里有什么？ LDO包含三個(gè)基本功能組件：一個(gè)參考電壓、一個(gè)導(dǎo)通組件和一個(gè)誤差放大器(error amplifier)，如圖1所示；正常運(yùn)作期間，導(dǎo)通組件充當(dāng)電壓控制器電流源。 導(dǎo)通組件由來自誤差放大器的補(bǔ)償控制訊號(hào)驅(qū)動(dòng)，誤差訊號(hào)放大器可感測(cè)輸出電壓并將其與參考電壓進(jìn)行比較；所有這些功能區(qū)塊都會(huì)影響LDO的性能。 LDO供貨商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表一定會(huì)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(jì)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(dòng)電流與輸出電流成比例，這會(huì)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(dòng)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(dāng)進(jìn)一步減小輸入電壓會(huì)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(dāng)于一個(gè)電阻。 對(duì)于現(xiàn)在的LDO，導(dǎo)通組件通常采用PMOS或NMOSFET來實(shí)現(xiàn)，這可實(shí)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(fù)載調(diào)節(jié)率 負(fù)載調(diào)節(jié)率是指在既定負(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(duì)應(yīng)的負(fù)載調(diào)節(jié)率如方程序1所示： 方程序1 負(fù)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(dāng)閉回路DC增益越高，負(fù)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(shí)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(dòng)的能力，如方程序3所示；線性調(diào)節(jié)率只有在直流電時(shí)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(hào)輸出電壓Vout可由方程序4表示： 方程序4 其中Vin是小訊號(hào)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(cè)增益，GC是補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)移函數(shù)，Goc是從控制訊號(hào)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(duì)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(gè)額外的濾波器來防止噪聲進(jìn)入閉回路。 瞬時(shí)響應(yīng) LDO普遍用于負(fù)載點(diǎn)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的瞬時(shí)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(shí)響應(yīng)主要取決于閉回路轉(zhuǎn)移函數(shù)的帶寬；要想實(shí)現(xiàn)最佳瞬時(shí)響應(yīng)，閉回路帶寬必須盡可能高，同時(shí)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(shí)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(dòng)電流的結(jié)合，通常保持盡可能低的水平。 另外，當(dāng)PMOS或NMOSFET被用做導(dǎo)通組件時(shí)，靜態(tài)電流相對(duì)來說不太受負(fù)載電流的影響。 因?yàn)殪o態(tài)電流不會(huì)流向輸出，所以它會(huì)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(duì)效率和功率耗散有直接影響，所以一般選擇最低壓差。