LDO是用于電壓調(diào)節(jié)的最老和最常用器件，幾乎任何一個電路設(shè)計中，都可能會使用LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）這個器件。雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一，但從成本/效益角度來說，它往往是最有價值的元件之一。

對大多數(shù)應(yīng)用來說，產(chǎn)品Datasheet中的基本參數(shù)規(guī)格通常都清晰明了。但遺憾的是，Datasheet并不會列出針對每種可能的電路條件的參數(shù)，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。因此，為了充分發(fā)揮LDO優(yōu)勢，工程師必須深入理解關(guān)鍵性能參數(shù)及其對特定負(fù)載的影響。

本文將從LDO概念到系統(tǒng)，探討LDO的主要性能參數(shù)及其在為電子系統(tǒng)中的不同器件提供干凈輸出電壓方面的作用。此外，還將討論在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，設(shè)計工程師需考慮的重要因素。

付斌｜作者

電子工程世界（ID：EEworldbbs）｜出品

第一部分：PMOS和NMOS兩種主流架構(gòu)

低壓差穩(wěn)壓器（LDO）是一種廣泛應(yīng)用的穩(wěn)壓解決方案，能夠在輸入輸出電壓差較小的條件下將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的低電壓輸出。作為一種線性穩(wěn)壓器，LDO通過調(diào)節(jié)通道晶體管實現(xiàn)電壓降的優(yōu)化，類似于自動調(diào)節(jié)阻值的電子控制可變電阻，以確保在特定輸出電流下穩(wěn)定的輸出電壓。

LDO提供了一種簡單且高效的穩(wěn)壓方式，可在提供恒定負(fù)載電流的情況下生成穩(wěn)固的輸出電壓。其設(shè)計結(jié)構(gòu)對外部元件的依賴性很低，有助于降低系統(tǒng)復(fù)雜性與物料成本。

典型LDO結(jié)構(gòu)僅需少量外部組件，通常包括用于輸入解耦的電容與穩(wěn)定輸出的電容，而在某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，還可加入保護二極管，以應(yīng)對反向電壓情況。這種簡潔、高效的設(shè)計使LDO成為多種應(yīng)用中穩(wěn)定電壓供應(yīng)的理想選擇?？偨Y(jié)起來，LDO包含四個基本功能元件：

• 參考電壓源Reference Voltage Source：提供穩(wěn)定的參考電壓，用于與輸出電壓進行比較；

• 反饋網(wǎng)絡(luò)Feedback Network：從輸出電壓取樣并反饋到誤差放大器

• 誤差放大器Error Amplifier：比較輸出電壓與參考電壓，并根據(jù)差值調(diào)節(jié)控制元件。

• 控制元件Control Element：通常是一個功率晶體管（如MOSFET或BJT），調(diào)節(jié)輸入電壓，以維持穩(wěn)定的輸出電壓。目前主流的有PMOS和NMOS兩種。

LDO 穩(wěn)壓器設(shè)計通常包含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、基于N通道MOSFET的穩(wěn)壓器和基于P通道MOSFET的穩(wěn)壓器。雖然說NPN、PNP晶體管型穩(wěn)壓器壓差比MOSFET型更高，但是MOSFET靜態(tài)電流（Iq）明顯低于晶體管穩(wěn)壓器。

所以，綜上，PMOS和NMOS兩種LDO是現(xiàn)如今的主流。

LDO通常易于設(shè)計和使用，但在現(xiàn)代應(yīng)用中，系統(tǒng)往往包含多個模擬和數(shù)字模塊，因此選擇適合的LDO需要根據(jù)系統(tǒng)特性和工作條件綜合考量。

第二部分：LDO主要性能參數(shù)

其實看清楚LDO的本質(zhì)，可以用一個比喻來理解：想象一只鴨子穿越池塘，水面上看似平靜無波，然而水下的雙腳卻在不停地用力劃動。鴨子越用力，越快耗盡體力，不得不停下。電子電路也類似，當(dāng)穩(wěn)壓器更費力地維持穩(wěn)定電壓時，能耗也隨之增加。因此，關(guān)鍵在于選擇一種能高效利用電力、保持穩(wěn)定的穩(wěn)壓器，確保性能始終如一。

判別LDO性能的參數(shù)很多，想要用好LDO，必須清晰每個性能參數(shù)的意思。

壓差

壓差是指在輸入電壓進一步下降，導(dǎo)致LDO不再能進行調(diào)節(jié)時的輸入至輸出電壓的差值。在此壓差條件下，通路元件工作于線性區(qū)，類似于一個電阻，其阻值等于漏極到源極的導(dǎo)通電阻RDS（ON）。如今LDO穩(wěn)壓器通常使用PMOS或NMOS FET作為通路元件，依據(jù)負(fù)載條件，可實現(xiàn)30mV～500mV壓差。壓差公式為：

其中，RDS（ON）包含通路元件的電阻、片內(nèi)互連電阻、引腳電阻和線焊電阻，并可通過LDO 的壓差估算。在壓差模式下，可變電阻接近零，LDO無法調(diào)節(jié)輸出電壓，輸入電壓及負(fù)載調(diào)整率、精度、PSRR 和噪聲等參數(shù)也不再具備意義。

早期的LDO設(shè)計提供大約1.3 V的壓差，這意味著對于5 V的輸入電壓，器件進行調(diào)節(jié)可實現(xiàn)的最大輸出僅為3.7 V左右。然而，在當(dāng)今更復(fù)雜的設(shè)計技術(shù)和晶圓制造工藝條件下，'低'大致定義為<100mV到300mV左右。

裕量電壓

裕量電壓是LDO滿足其規(guī)格要求所需的輸入與輸出電壓差，通常約為400 mV～500 mV，但某些LDO可能需要高達1.5 V的裕量電壓。數(shù)據(jù)手冊通常將裕量電壓作為指定其他參數(shù)的條件。需要注意的是，裕量電壓不應(yīng)與壓差混淆，只有在LDO處于壓差模式時，這兩者才會相等。

靜態(tài)電流

靜態(tài)電流（Iq）是模擬比較常見的一個概念，顧名思義，它指的是是系統(tǒng)處于待機模式且在輕載或空載條件下所消耗的電流。靜態(tài)電流適用于大多數(shù)集成電路 (IC) 設(shè)計，其中放大器、升降壓轉(zhuǎn)換器和低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 都會影響消耗的靜態(tài)電流量。當(dāng)LDO完全運行時，采用以下公式進行計算：

靜態(tài)電流看似好像費不了多少電，但對于智能手表或者手機等長期處在待機模式的產(chǎn)品來說，LDO靜態(tài)電流越小，電池壽命越長。同時，要優(yōu)化LDO的效率，需盡量降低靜態(tài)電流以及輸入與輸出電壓的差值。由于輸入與輸出電壓差直接影響效率和功耗，通常選擇最低的壓差。

接地電流

接地電流 (IGND) 是輸入電流與輸出電流之差，包含靜態(tài)電流。低接地電流可以最大化 提高LDO的效率。

對于高性能CMOS LDO，接地電流通常不到負(fù)載電流的1%。隨著負(fù)載電流增加，接地電流也會增大，因為PMOS調(diào)節(jié)元件的柵極驅(qū)動需增強以補償RON引起的壓降。在壓差區(qū)域內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動級進入飽和時，接地電流也隨之增加。對于需要低功耗或小偏置電流的應(yīng)用，CMOS LDO是理想選擇。

關(guān)斷電流

關(guān)斷電流指輸出禁用時LDO 消耗的輸入電流。參考電路和誤差放大器在關(guān)斷模式下都不上電。較高的漏電流會導(dǎo)致關(guān)斷電流隨溫度升高而增加。

效率

LDO 的效率由接地電流和輸入/輸出電壓確定。若需獲得較高的效率，必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流。此外，還必須最大程度縮小輸入和輸出之間的電壓差。輸入至輸出電壓差是確定效率的內(nèi)在因素，與負(fù)載條件無關(guān)。例如，采5 V電源供電時，3.3 V LDO的效率從不會超過66%，但當(dāng)輸入電壓降至3.6 V時，其效率將增加到最高91.7%。

噪聲

LDO為電子器件，所以一定會產(chǎn)生噪聲。可以使用兩個方法查看這些噪聲：跨頻率查看噪聲和查看積分值形式的噪聲。要生成不會影響系統(tǒng)性能的干凈電源軌，選擇低噪聲LDO并采取降噪措施非常重要。由于閉環(huán)傳遞函數(shù)對抑制參考電壓噪聲效果有限，多數(shù)低噪聲LDO需要額外的濾波器來阻擋噪聲進入閉環(huán)。

除了選擇具有低噪聲特性的LDO，還可以應(yīng)用一些技術(shù)來確保LDO 具有最低的噪聲特性。這些技術(shù)涉及到降噪電容器和前饋電容器的使用，或者通過額外的引腳和小電容器來優(yōu)化輸出噪聲和PSRR性能，濾除帶隙上的噪聲。

電源抑制比(PSRR)

PSRR是常見的技術(shù)參數(shù)，它規(guī)定了特定頻率的交流元件從LDO輸入衰減到輸出的

程度。對LDO來說，100 kHz～1 MHz范圍內(nèi)的電源抑制非常重要。

電源抑制比 (PSRR) 時常被誤認(rèn)為是單個靜態(tài)值，但事實并非如此。頻率、負(fù)載電流、LDO 裕量（輸入到輸出電壓差）、輸出電容、輸入電壓、溫度、LDO架構(gòu)設(shè)計、反饋網(wǎng)絡(luò)和補償都會影響到PSRR。對于實際應(yīng)用來說，僅靠調(diào)整VIN - VOUT 和輸出電容，就可以提高特定應(yīng)用的PSRR，但影響PSRR的因素并不僅限于這兩項，還包括以下參數(shù)：

比較LDO的PSRR時，應(yīng)確保在相同測試條件下進行，特別是考慮裕量電壓和負(fù)載電流的影響。此外，PSRR應(yīng)涵蓋不同頻率，并提供典型的工作性能曲線。輸出電容對高頻PSRR 有影響，較小電容的阻抗較大電容高，因此比較PSRR時，電容的類型和值必須一致，才能確保有效比較。

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。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。

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。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。

瞬態(tài)響應(yīng)

LDO 廣泛應(yīng)用于對負(fù)載調(diào)節(jié)要求較高的領(lǐng)域，如數(shù)字IC、DSP、FPGA和CPU等，這些應(yīng)用需要LDO快速響應(yīng)，以保持電壓穩(wěn)定。瞬態(tài)響應(yīng)是LDO的關(guān)鍵性能參數(shù)，包含負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和線路瞬態(tài)響應(yīng)。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是指負(fù)載電流變化時輸出電壓的變化，受輸出電容、ESR、LDO控制環(huán)路帶寬和負(fù)載電流變化速率的影響。變化速率較慢時，LDO可跟蹤變化，但過快時可能導(dǎo)致異常行為，如過大振鈴。

線路瞬態(tài)響應(yīng)是指輸入電壓變化時輸出電壓的變化，受LDO控制環(huán)路帶寬和輸入電壓變化速率的影響。輸入電壓變化緩慢時，可能隱藏振鈴或異常行為。

瞬態(tài)響應(yīng)主要取決于閉環(huán)傳遞函數(shù)的帶寬，為了優(yōu)化響應(yīng)，閉環(huán)帶寬應(yīng)盡可能高，同時保持足夠的相位余量確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

以上參數(shù)在實際應(yīng)用中都非常重要，不過，如果想要評估一款高性能LDO芯片主要有3個標(biāo)準(zhǔn)：一是電源對噪聲的抑制比，二是LDO自身輸出噪聲及對負(fù)載變化的瞬態(tài)相應(yīng)能力，三是在高精密傳感器應(yīng)用中，溫度漂移是否足夠小。

第三部分：廠商的產(chǎn)品情況

知道以上參數(shù)以后，我們就可以從廠商實際產(chǎn)品中進一步消化這些參數(shù)，畢竟廠商宣傳的參數(shù)肯定是最關(guān)鍵的那幾個。

雖然LDO不是什么高性能的IC，但LDO芯片市場競爭異常激烈。主要廠商包括TI、ADI、ST、ONsemi、Infineon、Microchip、Diodes、Rhom等。

TI的LDO產(chǎn)品非常豐富，可以幫助應(yīng)對幾乎所有的穩(wěn)壓器設(shè)計挑戰(zhàn)，為敏感的模擬系統(tǒng)供電到延長電池壽命。解決方案包括業(yè)界首款智能AC/DC線性穩(wěn)壓器，以及低噪聲、寬輸入電壓范圍（VIN）、小封裝尺寸和低靜態(tài)電流 (Iq) 等多種功能，整體特點是低噪聲、低Iq、高功率密度。TI的分類方法是電壓范圍，除了低噪聲、低Iq、小型化等，TI還單門將汽車分為一類。

ST的LDO主要分為三個系列：高PSRR LDO穩(wěn)壓器、低 Iq LDO 穩(wěn)壓器、超低壓差 LDO 穩(wěn)壓器。其產(chǎn)品特性為低壓差、低靜態(tài)電流（低 IQ）、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低噪音、良好的紋波抑制。

英飛凌提供多種類型的線性穩(wěn)壓器 （LDO），包括高精度電壓器跟隨器、可變線性穩(wěn)壓器、超低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器 (LDO) 和高性能穩(wěn)壓器。與開關(guān)電源不同，低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器不能與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器一起使用。降壓和升壓轉(zhuǎn)換器能夠分別對電壓 “降壓” 或 “升壓” 電壓。它們不能與線性穩(wěn)壓器配合使用，因為輸入電壓必須始終大于輸出電壓。

瑞薩是低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 主要供應(yīng)商，提供配備世界頂尖單 LDO、雙 LDO 的低功耗手持應(yīng)用，具有高達 3MHz 的超高 PSRR、低輸入電壓范圍、緊湊封裝，以及超低噪音和靜態(tài)電流等特點。瑞薩電子的高電流 LDO 最高支持 3A 電流，擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、全負(fù)載和全結(jié)溫最密集電壓輸出精度和同級最低遺失電壓。此外，瑞薩電子的低成本線性穩(wěn)壓器還可從電信和數(shù)據(jù)通信中常用的中間配電電壓產(chǎn)生低壓偏置電源。這類器件可用作啟動或連續(xù)低功耗穩(wěn)壓器。

ADI制造各種各樣的高性能低壓降 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。這些 LDO 線性穩(wěn)壓器提供極低壓差、快速瞬態(tài)響應(yīng)和出色的線路和負(fù)載調(diào)整，并具有在有線/無線和音頻系統(tǒng)、FPGA/DSP/μC 電源以及 RF 和儀器儀表領(lǐng)域的最終應(yīng)用中增加性能價值的功能。我們各式俱全的 LDO 線性穩(wěn)壓器具有各種各樣的杰出特性，可滿足任何設(shè)計中需求，無論是需要低噪聲、高 PSRR 還是緊湊封裝。

最近幾年，也誕生了越來越多的精品國產(chǎn)LDO。比如，納芯微、思瑞浦、矽力杰、力芯微電子、藍箭電子、立锜科技、特瑞士、友臺半導(dǎo)體、思旺電子等。

參考文獻

[1]TI：https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcy093/zhcy093.pdf?ts=1730769075203

[2]Renasas：https://www.renesas.cn/zh/document/whp/understanding-linear-regulators-and-their-key-performance-parameters?r=481466

[3]Mouser：https://www.mouser.com/pdfdocs/ADI_LDO_General_Presentation_2018Apr1.pdf

[4]ADI：https://www.analog.com/cn/resources/analog-dialogue/articles/understand-ldo-concepts.html

[5]納芯微：https://www.novosns.com/Public/Uploads/uploadfile/files/20241011/naxinweichezaiLDOyizhanshijiejuefanganshouce_final_20241010-541.pdf

歡迎將我們設(shè)為“星標(biāo)”，這樣才能第一時間收到推送消息。

免費領(lǐng)取Autosar入門與實踐資料包！

掃碼添加小助手回復(fù)“進群”

和電子工程師們面對面交流經(jīng)驗