硬件设计之一——电源设计03：LDO设计

[导读]LDO概念LDO，lowdropoutregulator，中文是低压差线性稳压器，它内部的一般结构如下图：用到的元器件也比较简单，一个串联调整管VT，两个分压电阻R1，R2，放大器A，基准电压REF部分，然后就可以把输入和输出连接起来，由R1和R2分压得到的放大器的同相输入端电...

LDO概念

LDO，low dropout regulator，中文是低压差线性稳压器，它内部的一般结构如下图：

用到的元器件也比较简单，一个串联调整管VT，两个分压电阻R1，R2，放大器A，基准电压REF部分，然后就可以把输入和输出连接起来，由R1和R2分压得到的放大器的同相输入端电压为取样电压，放大器反相输入端电压为一个基准电压，放大器的输出用来驱动调整管，调整管的输入输出连接输入输出电压。当输出电压Uout下降时，由R1和R2分压的取样电压（即放大器的同相输入端电压）下降，因此放大器的输出驱动电流增加，从而导致串联调整管的压降减小，即Uin-Uout减小，最终使Uout电压上升。当输出电压Uout上升时同理。

LDO应用

对于一些特定的应用，传统的稳压器不适合，因为输入和输出的压差过低就无法使用，这时 LDO 类的电源转换芯片才诞生了，帮助我们很好的解决了这个问题。

LDO和DCDC的区别

差异简单综述

	LDO（低压差稳压器）	DCDC（直流电压转换器）
优点：	线性稳压器的成本低；新型稳压器输出电压稳定，纹波小；稳压器静态电流小；输出电路所用器件少。	效率高；带负载能力强；可以升压、降压、升降压；瞬态反应比较快。
缺点	效率低下，发热严重；只能用于降压应用；输入输出电压有限制；负载不能过大，越大，功耗越低。	输出电压纹波大；开关噪声严重；组成电路元件多；占PCB面积大。

LDO的选型要点

技术参数

1、压降：

产生额定输出电压时，减小输入电压，输出电压下降到额定输出电压98%时，输入输出压差即为dropout电压，我们希望这个电压越低越好。

2、负载调整率

反映了输入固定情况下，LDO输出电压受负载电流变化的影响，定义公式如下：

负载调整率和负载电流范围有关，和LDO本身特性也有关，即为输出端的微分电阻：

设放大器低频增益为A，调整管跨导为gm:

得到：

根据负载电路表达式，可以看出，负载电流变大，gm变大，ro表小，微分电阻变小

放大器低频增益变大，微分电阻变大，提高了负载调整率。

3、线性调整率

反映了负载固定的情况下，输入电压对输出电压变化的影响，即

主要的影响来自，输入电压变化，运放输出端电压变化(B)，调整管电流变化，环路增益变化，导致输出电压变化。

因此提高线性调整率的方法就是，提高放大器地频增益

4、瞬态特性

LDO的瞬态响应包括两个方面：一是大信号响应速度，二是小信号响应速度，当输出端电流发生大幅度跳变，电路首先发生的是大信号响应，输出端电压大幅度变化，运放发生转换，功率管栅极电压缓慢变化，直到电平接近静态数值，电路表现为小信号响应，最终输出电压稳定到一个固定值。

以下图为例，当负载电流突然变大，输出电压在t1时间段有个Vdip的压降，经过t2的时间，由大信号响应转换到小信号响应，最后t2末端恢复稳定，两种电流下输出电压有Vdiff的差异，是由于LDO有限的负载调整率导致的。

对于驱动数字电路的LDO，瞬态特性是个很重要的指标，因为电源电压有个噪声容限，超出门限会导致逻辑电平判断错误。LDO的瞬态特性可以从两个方面考虑，一个是负载电流发生变化时，输出电压变化量，一个是输出电压恢复到额定值所需要的时间。

对于外接大电容的LDO，由于电容存储大量电荷，充放电电流可以满足负载电流的突变，对比capless LDO，这是设计难点，有一些瞬态增强电路，这里不做解释。

5、噪声

噪声分为两类：内部噪声和外部噪声。内部噪声是不可避免的，每个电子设备都会产生内部噪声。LDO 由理想的源供电，这意味着它不受外界影响，因此在输入端没有外部噪声 (虽然 LDO 在输出端确实有内部噪声)。外部噪声是由外界影响(输入处的纹波——实际源) 产生的各种噪声。输入波纹与电源抑制比 (PSRR) 有关。

6、电源抑制比

电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio):把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是PSRR，通常用对数形式表示，单位是dB。

PSRR=20log{[ripple(in)/ripple(out)]}

对于高质量的D/A转换器,要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时,对输出的电压影响极小.通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比.

综合考量

1. 输入电压和输出电压范围。如果输入输出电压差值很大，此时就应该选择DCDC，效率高损耗低；如果选择LDO器件，随着输入输出压差的增加，器件的效率一直下降，由此带来的问题就是高发热量；
2. 看预算。相同输入输出电压的LDO可选择时，确认研发以及生产的成本，成本如果可行的话，用便宜的，显然LDO是不错的选择；首先单芯片的价格，DCDC贵，外加滤波电容、储能电感、续流二极管，这些东西可是不便宜的。
3. 空间。PCB是项目最终需要拿出来的实物，所有的直插式、表贴式元件都是安装在PCB板上的，如果空间足够，看其他要求，有空间问题，LDO占用空间小于DCDC。
4. 看负载规格。像CPU、GPU、内核电压这种，需要很大的工作电流，此时LDO已经不满足条件了，因为前面说了，负载越大，损耗越多，这是两者的工作原理决定的。
5. 看负载要求。对于LDO来说，纹波小，稳定；对于DCDC来讲，纹波大；所以想WiFi、蓝牙、GPS等工作需要很小的纹波时，DCDC就派不上用处了，因为电源波动太大，超过IO口电压容忍值，会导致后级负载对高低电平的判断失误。
6. 看输出电压规格。如果在一个应用中，需要输出多路电源，电源值高于VCC和低于VCC，此时就需要DCDC了，应为DCDC可以利用电感升压，利用电感降压，可以同时满足需求。
7. 看应用环境。电子电路工作的环境不一致，会导致芯片的表现差异巨大，寿命也会大大缩短，比如湿度、温度等，而产品种类不一致，器件厂商不一致，则产品的使用环境是不一致的，这个需要看需求看电源手册决定。

8. 看功率系数。输入电压、输出电压、最大用电电流决定了耗散在本体上的功率，而不同的封装尺寸和PCB环境，散热能力会有上限，如果本体上承载的功率超过了上限，那么就会烧毁。比如输入3.3V，输出1.2V，电流1A，那么耗散在LDO本体上的功率就有2.1W，那么就要查看这颗LDO的热功率，在产品最高环境温度下，散热功率要足够安全。