ROHM丨LDO基础知识

　　低压差线性稳压器(以下简称LDO)是一种半导体器件，是在输入与输出的电压差较小的状态下也能工作的线性稳压器的统称。LDO的特点是即使输入与输出电压差很小仍能获得稳定的输出，因此被广泛应用于电池驱动的移动设备以及注重低功耗和小型化的应用场景中。具体而言，在直接由锂离子电池驱动电路时采用LDO就是一个典型的案例。

　　本文我们将介绍LDO的工作原理与电路结构、设计时应考虑的规范和特性等内容，同时梳理在引入LDO时需要掌握的要点。

　　什么是LDO?(定义和基本原理)

　　LDO是一种即使在输入电压与输出电压之差(输入输出电压差)较小的情况下，仍能维持一定输出的线性稳压器。与普通的三端稳压器相比，其显著特点在于所需输入电压的裕量更小。本节我们将简要回顾LDO的定义和历史背景，并介绍其被众多设备广泛采用的原因。

　　LDO的含义与由来(“Low Dropout”的词源与定义)

　　LDO是“Low Dropout Regulator”的英文首字母缩写，表示其具有低压差。压差是指“维持稳定的稳压所需的最小输入电压与输出电压之差”。一般的传统线性稳压器通常需要比输出电压高数V的输入电压，而LDO可将这一差值控制在数百mV，有些产品甚至可至数十mV。大多数LDO内部包含通路元件(双极晶体管或MOSFET)、误差放大器及保护电路，能否满足各项规格(输入电压范围、输出电流范围等)是选型时的关键考量因素。

　　例如，在需要3.3V的输出而输入仅为4.0V左右的条件下，LDO仍有可能稳定工作。这种“低压差”有助于提高电源效率并减少热损耗，因此在追求节能与小型化的设备中发挥着重要作用。

　　与传统线性稳压器的区别

　　线性稳压器通过内部的通路元件(晶体管等)将输入电压中多余的电压以热的形式耗散掉，从而实现稳定输出。传统线性稳压器在输入与输出电压差较大时较易于设计，但当输入输出电压差变小时，则难以正常工作。

　　相比之下，LDO通过采用在线性(电阻)区域易于保持低导通电阻的晶体管等方式，使其即使在输入输出电压差很小时也能工作。具体而言，通过将双极晶体管或MOSFET以源极跟随器或射极跟随器等结构工作，可以将压差电压控制在数百mV以下。

　　许多传统线性稳压器要求输入电压比输出电压高2V以上，其设计是以(输入电压 − 输出电压)较大的情况为前提的。而LDO即使在电池驱动等输入电压下降的应用中，仍易于保持额定输出直至极限状态，因而在节能与低发热等方面具有优势。

　　LDO备受关注的理由(低压差、低功耗、小型化等)

　　LDO受到关注的原因主要有以下几点：

　　低功耗：压差电压越低，浪费的功耗就越少。

　　热设计简化：通过抑制输入输出电压差，可减少产生的热量，有时使用小型散热片即可。

　　小型化与电池工作：在移动设备等应用中，即使电池的电压下降，仍易于维持工作。

　　噪声方面：与开关稳压器相比，不易产生高频噪声。

　　因此，LDO被广泛应用于从电池驱动应用到通信设备以及工业设备等诸多领域。本节主要总结了概念性的理解，后续章节将进一步详细介绍其电路结构和工作原理。

　　LDO的电路结构和工作原理

　　LDO在通过反馈控制来保持输出电压稳定方面，与普通的线性稳压器相同。然而，为了将输入输出电压差控制得较小，在其内部结构、所用晶体管类型及保护功能等方面均采取了特殊设计。本节将介绍LDO的主要电路模块，并阐述其能够实现低压差的原理。

　　主要模块(通路元件、误差放大器、保护功能)概述

　　LDO的结构本身相对简单。通过组合以下主要模块来维持恒定的输出电压。

　　通路元件(Pass Element)

　　使用双极晶体管或MOSFET来控制从输入到输出的电流。近年来，也有很多LDO通过内置电荷泵或控制电路等特殊设计，使其即使在较低的栅源电压下也能驱动。

　　误差放大器(Error Amplifier)

　　监测输出并与参考电压进行比较，从而控制通路元件。其增益特性与响应速度对精度和瞬态响应有很大影响。

　　保护功能

　　内置过流保护、过热保护及反向电流保护等功能，确保LDO自身的安全性和对负载端的保护。

　　压差电压的原理

　　LDO特点——压差电压的定义为：通路元件在提供电流的同时能保持正常控制的最小输入输出电压差。例如，对于使用PNP晶体管的LDO，其发射极-集电极间电压与基极-发射极间电压在临近饱和状态工作时的总和会决定压差电压。其简单的模型公式如下所示。

　　低噪声设计和反向电流保护的要点

　　与开关稳压器相比，LDO具有高频噪声更少的优点。但是，根据通路元件的选择及内部电路结构的不同，双极晶体管的基极电流路径或参考电路的噪声也可能成为问题。设计时需要考虑的要点如下：

　　旁路电容器

　　在参考电路或误差放大器的电源引脚附近接入小容量电容器，以去除噪声。

　　布局优化

　　合理配置输入输出电容器，优化GND布线，以抑制尖峰和纹波。

　　反向电流保护(Reverse Current Protection)

　　若电流从电池反向流入稳压器，会导致误动作或损坏。可添加保护二极管或开关器件等进行防护。

　　LDO的种类和主要参数

　　LDO根据其内部所用元件和设计思路，可分为多种类型。同时，在选型时也存在一些需要共同评估的参数。本节将对LDO的代表性种类以及评估其性能时不可或缺的主要参数进行梳理介绍。

　　按电压范围分类(高电压和低电压适用)

　　LDO的特点是低压差，但其输入电压范围的跨度较大。例如，既有适用于5V以下工作的电池驱动的低电压LDO，也有适用于超过30V或40V高输入电压的车载及工业设备的LDO。支持高电压的LDO，其功率晶体管通常具有更高的耐压和更强的保护功能。而对于生成1V左右等超低电压领域的LDO，其在MOSFET的基础上对栅极驱动进行优化，从而将压差降至极限。

　　低噪声、低静态电流、PSRR、线性调整率和负载调整率

　　低噪声和低静态电流

　　低噪声型

　　适用于为模拟电路或无线电路供电等时，噪声对信号质量影响较大的应用场景。其设计降低了参考电路和误差放大器的噪声，并尽量抑制了通路元件的开关噪声。

　　低静态电流(Iq)型

　　目的是通过将待机时的消耗电流控制到很小来延长电池的驱动时间。有些产品通过小容量电容器和简化的内部电路结构，将静态电流控制在数µA以下。

　　PSRR(Power Supply Ripple Rejection)

　　PSRR是衡量输入侧的纹波或噪声有多大程度传递至输出侧的指标。通常以频率特性表示，尤其在数十kHz以上的高频区间的PSRR备受重视。例如，在音频电路或高精度模拟电路中，选择PSRR高的LDO可减少电源噪声的影响，有助于提高精度。其定义如下：

　　负载响应

　　负载电流骤变时输出电压波动的大小及恢复所需的时间。受误差放大器的速度、输出电容器的容量和内部电阻等因素影响。

　　瞬态响应

　　电压暂时出现过冲或下冲的现象。在需要高速响应的应用场景(如高速数字电路)中，可能成为大问题。

　　启动特性

　　LDO在通电时输出电压上升过程中的动作。为避免急剧上升对负载造成不良影响，部分产品具有软启动功能。

　　近年来，还出现了将控制IC与周边电路集成于一体的LDO模块，这种减少电路板安装工序和外置元件选型工作量的方法备受关注。此类模块型产品的工作范围和散热设计明确，适合重视开发速度的应用场景。

　　LDO与其他方式的比较及选型方法

　　除了LDO之外，还有多种电压调节方式，每种方式各有其优缺点。本节将通过与经常被比较的开关稳压器和传统线性稳压器进行对比，重新确认LDO的特点，并梳理出不同应用场景的选型要点。

　　开关稳压器 vs LDO(功耗和效率比较)

　　开关稳压器通过脉宽调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)等方式使开关器件高速导通和关断，经由电感和电容器形成输出电压。代表性方式有降压(Buck)、升压(Boost)与升降压两用(Buck-Boost)等。在晶体管与二极管(或同步整流MOSFET)损耗更小时流通电流，从而实现高效率，效率超过80〜90%也并不罕见。

　　另一方面，开关稳压器通常需要电感和大容量电容器等外置元件，占用安装空间且电路设计复杂。此外，高速开关容易引发噪声(EMI)与纹波，因此需考虑通过屏蔽或优化布局予以抑制。

　　传统线性稳压器 vs LDO(与三端稳压器等的区别)

　　传统线性稳压器设计时，通常要求输入电压留有约2～3V的裕量，并以通路元件在远离饱和区的状态下进行控制为前提。而LDO则通过将通路元件的工作点推至接近饱和的状态，从而成功地将压差控制到数百mV以下。

　　通路元件的选择与结构

　　传统线性稳压器为实现控制，通常在基极–发射极电压或集电极–发射极电压上留出一定裕量;而LDO通过采用MOSFET使其在栅源电压较小时也能工作，或通过电路设计使双极晶体管也允许在接近饱和状态下进行控制等，以此降低压差电压。

　　反馈电路的优化

　　传统线性稳压器的控制特性相对宽松，而LDO则通常通过优化误差放大器的偏置电压和内部参考源设计，确保在较低电压差下仍能实现稳定控制。

　　应用领域的差异

　　传统线性稳压器多用于将AC适配器等较高的输入电压降压并轻松实现稳压的应用场景，而LDO则在电池驱动或使用1～2V低电压的数字IC等要求低电压和低功耗的环境中更具发挥优势。

　　不同应用场景中考虑的LDO选型要点

　　LDO的主要选型要点如下：

　　所需的输入输出电压差

　　当电池的终止电压(最低电压)接近输出电压时，必须选择压差电压小的LDO。

　　可容许的发热量

　　由于LDO的(Vin – Vout)× Iout会转化为热，因此散热设计和封装的选择很重要。

　　噪声敏感度

　　在模拟电路或高频电路中，PSRR和低噪声特性尤为重要。

　　消耗电流

　　对于希望尽量降低待机电流的应用场景，优先选择低Iq型。

　　负载波动和响应速度

　　对于有急剧负载波动的电路，建议选用瞬态响应性能优异的LDO。

　　LDO设计和安装中需掌握的关键要点

　　在实际将LDO嵌入电路时，应参考产品规格书中推荐的元件和布局指南，进行满足各项特性的设计。本节将逐步介绍典型的设计流程和注意事项。

　　电路示例和设计流程(基础设计～元件选型)

　　LDO的设计流程大致遵循以下步骤：

　　确认输入输出电压范围

　　根据是电池驱动还是AC适配器等，掌握预期电源的最小和最大电压。

　　确认所需的输出电流和负载特性

　　掌握最大负载电流将达到多少A，并了解瞬时负载波动幅度。

　　确认LDO候选产品

　　参考产品规格书，寻找满足压差电压、PSRR、消耗电流、保护功能等要求的产品。

　　选择外围元件

　　由于输出电容器的容量和ESR范围直接关系到LDO工作的稳定性，务必确认制造商的推荐值。

　　热设计

　　结合封装和安装条件，计算(Vin – Vout)× Iout是否在容许范围内。必要时考虑扩大铜箔面积等散热措施。

　　外围元件选型(输入与输出电容器、防反向电流二极管等)

　　LDO的输出电容器对于确保相位补偿与误差放大器的稳定工作至关重要。产品规格书中通常会写明推荐容量和ESR范围，若偏离这些范围，可能导致振荡或瞬态响应恶化。

　　输入电容器用于辅助瞬时电流供应以及抑制输入电源的纹波。通常采用数µF的陶瓷电容器，但若预计存在较大的负载波动，有时可追加更大容量的电容器。

　　防反向电流二极管在存在电池等备份电源时需要考虑使用。在多电源切换的设计中，通常会加入二极管以防止电流通过LDO的通路元件发生反向流动。

　　布局和布线的注意事项(噪声对策和GND布线等)

　　虽说LDO基本上噪声较少，但仍建议在布局时注意以下事项：

　　确保最短路径

　　将输入电容器和输出电容器安装在LDO引脚附近，以减少不必要的布线电感和寄生电阻。

　　统一管理GND布线

　　根据需要将电源GND和信号GND分离，防止噪声混入测量系统。

　　确保热扩散

　　若有散热焊盘，应在电路板内层或背面设置过孔，以促进散热。

　　保护功能的运用和电源时序(按需简要使用)

　　LDO通常配备过流保护、过热保护等安全功能，但重要的是不要过度依赖这些功能，而应评估实际环境中可能出现的过载程度后进行选型。

　　另外，对于多电压的CPU和FPGA等需要多路电源线按顺序启动时，有时会使用LDO的使能引脚进行时序控制。结合延时电路或微控制器控制，使所需电源适当启动，从而提升系统运行的可靠性。

　　LDO的最新技术动向

　　近年来，在LDO领域，针对更严苛的低功耗要求与缩减安装空间的需求日益增多，以下新的技术方案备受关注。这些技术通过实现“超小容量输出电容器的适用”和“高速负载响应性能的提升”，正在逐步克服传统LDO难以应对的难题。

　　使用很小容量的电容器也能稳定工作的技术

　　技术概要

　　传统LDO为确保稳定工作，通常需要1µF左右的输出电容器。最近，通过对模拟电路寄生分量的彻底优化，改进误差放大器和布线，出现了使用nF量级的电容器也不会发生振荡的控制技术。

　　主要优势

　　减少元件数量和安装空间：可大幅减少输出电容器的容量与数量

　　降低成本：通过电容器小型化或数量削减，有望降低成本

　　提升可靠性：通过减少汽车与工业等领域中常用的电容器安装数量，降低元件故障风险和安装不良风险

　　实现高速负载响应的技术

　　技术概要

　　为了在负载电流急剧变化时将输出电压的波动幅度控制在更小范围，已开发出提升LDO内部反馈电路与误差放大电路速度的技术。代表性的方法是通过将控制系统和补偿系统分离或组合多级专用放大器，从而在避免发生不稳定振荡的前提下，将响应速度提升至极限。

　　主要优势

　　提升电源品质：可迅速响应数字IC急剧的消耗电流变化和高精度模拟电路的瞬时负载波动

　　优化电容器容量：即使不采用大容量电容器，也能获得足够的响应性能，从而提升设计灵活性

　　持续演进与未来展望

　　新技术的结合

　　通过将“适用很小容量的电容器”和“高速负载响应技术”相结合，正逐步实现例如采用nF级电容器时，仍可在急剧的负载波动下保持稳定输出的LDO。

　　应用领域的扩展

　　物联网设备和可穿戴设备等需要兼顾低功耗和小型化的应用需求预计将持续增长。此外，在汽车和工业设备领域，不仅要求缩小安装空间，还需实现更高可靠性(满足温度特性和耐压等安全标准)，这使得配备上述先进技术的LDO受到越来越多的关注。

　　各半导体制造商正不断扩充集成了多个电源线的模块化LDO以及实现系统整体节能的解决方案，其应用领域正在不断扩大。

　　总结

　　LDO能够在保持输入输出电压差较小的状态下工作，因体积小、低噪声、节能而被应用于各类设备。适用于移动设备、车载设备和工业设备等各种领域中需要低功耗和散热对策的电路。