低壓差穩壓器(LDO)能夠在很寬的負載電流和輸入電壓范圍內保持規定的輸出電壓，而且輸入和輸出電壓之差可以很小。這個電壓差被稱為壓降或裕量要求，在負載電流為2A時可以低至80mV。可調輸出低壓差穩壓器1于1977年首次推出。現在，便攜設備需要使用的低壓差線性穩壓器經常多達20個。最新便攜設備中的許多LDO被集成進了多功能電源管理芯片2(PMIC)——這是高度集成的系統，擁有20個或以上的電源域，分別用于音頻、電池充電、設備管理、照明、通信和其它功能。
然而，隨著便攜系統的快速發展，集成式PMIC已經無法滿足外設電源要求。在系統開發的后期階段必須增加專用LDO來給各種選件供電，如相機模塊、藍牙、WiFi和其它連接模塊。LDO還能用來輔助降低噪聲，解決由電磁干擾(EMI)和印刷電路板(PCB)布線造成的穩壓問題，并通過關閉不需要的功能來提高系統效率。
本文將討論基本的LDO拓撲，解釋關鍵的性能指標，并展示低壓差穩壓器在系統中的應用。同時使用ADI公司LDO產品系列3的設計特征進行示例說明。
圖1：采用低壓差 (Vout和在額定負載電流時Vin的最低給定值之間的差值) 技術穩定輸出電壓的LDO框圖。
基本的LDO架構4。LDO由參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器和傳輸晶體管組成，如圖1所示。輸出電流通過傳輸器件提供。傳輸器件的柵極電壓由誤差放大器控制——誤差放大器將參考電壓和反饋電壓進行比較，然后放大兩者的差值以便減小誤差電壓。如果反饋電壓低于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉低，允許更多的電流通過，進而提高輸出電壓。如果反饋電壓高于參考電壓，傳輸晶體管的柵極電壓將被拉高，進而限制電流流動、降低輸出電壓。
這種閉環系統的動態特性基于兩個主要的極點，一個是由誤差放大器/傳輸晶體管組成的內部極點，另一個是由放大器的輸出阻抗和輸出電容的等效串聯電阻(ESR)組成的外部極點。輸出電容及其ESR將影響環路穩定性和對負載電流瞬態變化的響應性能。為了確保穩定性，推薦1Ω或以下的ESR值。另外，LDO要求使用輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬態變化。電容值越大，LDO的瞬態響應性能越好，但會延長啟動時間。ADI公司的LDO在使用規定電容時可以在規定工作條件下達到很好的穩定性能。
LDO效率：提高效率一直是設計工程師的永恒追求，而提高效率的途徑是降低靜態電流(Iq)和前向壓降。
由于Iq在分母上，因此很明顯Iq越高效率就越低。如今的LDO具有相當低的Iq。當Iq遠小于ILOAD時，在效率計算公式中可以忽略Iq。這樣，LDO的效率公式可以簡化為(Vo/Vin)*100%。由于LDO無法存儲大量的未使用能量，沒有提供給負載的功率將在LDO中以熱量形式消耗掉。
LDO可以提供穩定的電源電壓，這種電壓與負載和線路變化、環境溫度變化和時間流逝無關，并且當電源電壓和負載電壓之間的壓差很小時具有最高的效率。例如，隨著鋰離子電池從4.2V(滿充狀態)下降到3.0V(放電后狀態)，與該電池連接的2.8V LDO將在負載處保持恒定的2.8V(壓差小于200mV)，但效率將從電池滿充時的67%增加到電池放電后的93%。
為了提高效率，LDO可以連接到由高效率開關穩壓器產生的中間電壓軌，例如使用3.3V開關穩壓器。LDO效率固定為85%，假設開關穩壓器效率為95%，那么系統總效率將是81%。
電路特性增強LDO性能： 使能輸入端允許通過外部電路控制LDO的啟動和關閉，并允許在多電壓軌系統中按正確的順序加電。軟啟動可以在上電期間限制浪涌電流和控制輸出電壓上升時間。睡眠狀態能使漏電流最小，這個特性在電池供電系統中特別有用，并且允許快速啟動。當LDO的溫度超過規定值時，熱關斷電路將關閉LDO。過流保護電路可以限制LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖電路可以在供電電壓低于規定的最小值時禁止輸出。圖2是用于便攜設計的典型電源系統簡圖。
圖2：便攜系統中的典型電源域。
理解線性穩壓器要求
LDO用于數字負載：像ADP170和ADP1706這類數字線性穩壓器設計用于支持系統的主要數字要求，通常是微處理器內核和系統輸入/輸出(I/O)電路。用于DSP和微控制器的LDO必須具有較高的效率，并能處理快速變化的大電流。更新的應用要求給數字LDO造成了巨大的壓力，因為處理器內核為了節能而經常改變時鐘頻率。為了響應軟件導致的負載變化而發生的時鐘頻率變化對LDO的負載調整功能提出了嚴格的要求。
數字負載的重要特征有線路調整率和負載調整率，以及瞬態下沖和過沖。在給低電壓的微處理器內核供電時，精確的輸出控制總是非常重要，沒有足夠的調整率將致使內核閉鎖。數據手冊中并不總是提供上述參數，瞬態響應圖形也許表現出對瞬態信號不錯的上升和下降響應速度。線路和負載調整率有兩種方式表述：一種是輸出電壓隨負載變化的偏離百分比，實際的V/I值，或者在規定負載電流條件下同時用兩者表示。
為了節省功耗，數字LDO需要具有較低的Iq以延長電池壽命。便攜系統有很長時間軟件處于空閑狀態，這段時間系統處于低功耗狀態。在不活動時，系統將進入睡眠狀態——要求LDO關閉，消耗電流不到1 µA。當LDO處于睡眠模式時，所有電路(包括帶隙參考)都將被關閉。當系統回到活動模式時，要求快速啟動 ——在此期間數字供電電壓必須不產生過高的過沖。過高的過沖將導致系統閉鎖，有時需要拔出電池或按下主復位按鈕才能解決問題，并重啟系統。
LDO用于模擬和射頻負載: 像ADP121和ADP130具有的低噪聲和高電源抑制(PSR)性能對模擬環境中使用的LDO來說非常重要，因為模擬器件比數字器件對噪聲更敏感。模擬LDO需求的主要來自無線接口要求——不損傷接收器或發送器，并在音頻系統中不產生爆破音或嗡嗡聲。無線連接非常容易受噪聲的影響，如果噪聲干擾到信號，接收器的效果將大打折扣。在考慮模擬線性穩壓器時，器件要能抑制來自上游電源和下游負載的噪聲，而且自身不增加噪聲，這一點很重要。
模擬穩壓器噪聲的測量值用電壓有效值(rms)和PSR表示，后者代表了抑制上游噪聲的能力。增加額外的濾波器或旁路電容可以減小噪聲，但增加了成本和體積。仔細和靈活的LDO內部設計也有助于噪聲降低和電源噪聲抑制。在選擇LDO時，對涉及每個系統所需的總體性能的產品細節進行檢查很重要。
關鍵的LDO指標和定義
備注：制造商數據手冊首頁一般是一些摘要信息，通常突出了一些吸引人的器件特性。關鍵參數經常強調典型的性能特征，但只有查閱了文檔中的完整指標和其它數據后才能得到更完整的理解。另外，由于制造商提供指標的方式幾乎沒有標準可言，因此電源設計師需要理解用來獲得電氣指標表格中列出的關鍵參數的定義和方法。系統設計師應該密切關注關鍵參數，如環境和結點溫度范圍、圖形信息中的X-Y刻度值 、負載、瞬態信號的上升和下降時間以及帶寬。下面討論與ADI公司LDO的表征和應用有關的一些重要參數。
輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。指標可能提供寬的輸入電壓范圍，但最低輸入電壓必須超過壓降加上想要的輸出電壓值。例如，150mV的壓降對于穩定的2.8V輸出來說意味著輸入電壓必須大于2.95V。如果輸入電壓低于2.95V，輸出電壓將低于2.8V。
接地(靜態)電流：靜態電流Iq就是輸入電流IIN和負載電流IOUT之間的差值，在規定的負載電流條件下測量。對于固定電壓穩壓器，Iq等于接地電流Ig。對于可調穩壓器，如ADP1715，靜態電流等于接地電流減去來自外部分壓電阻網絡中的電流。
關斷電流：這是指設備禁用時LDO消耗的輸入電流，對便攜LDO來說通常低于1.0 µA。這個指標對于便攜設備關機時長待機期間的電池壽命來說很重要。
輸出電壓精度：ADI公司的LDO具有很高的輸出電壓精度，在工廠制造時就被精確調整到±1%之內(25℃)。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規定。誤差規定為±x%最差情況。
線路調整率：線路調整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發生的變化率。為了避免由于芯片溫度變化引起的誤差，線路調整率的測量通常在低功耗狀態或使用脈沖技術進行。
動態負載調整率：只要負載電流緩慢變化，大多數LDO都能輕松地保持輸出電壓接近恒定不變。然而，當負載電流快速改變時，輸出電壓也將發生改變。當負載電流發生變化時輸出電壓會改變多少就決定了負載瞬態性能。
壓差：壓差指保持電壓穩定所需的輸入電壓和輸出電壓之間的最小差值。也就是說，LDO能夠在輸入電壓降低時保持輸出負載電壓不變，直到輸入電壓接近輸出電壓加上壓差，在這個點輸出電壓將“失去”穩定。壓差應盡可能小，以使功耗最小，效率最高。當輸出電壓降低到低于標稱值 100mV的電壓時，通常被認為達到了這個壓差。負載電流和結點溫度會影響這個壓差。最大壓差值應在整個工作溫度范圍和負載電流條件下加以規定。
啟動時間：啟動時間被定義為使能信號的上升沿到VOUT接近其標稱值的90%時的時間。這個測試通常是接上VIN、使能引腳從斷開到接通的觸發條件下進行測量。備注：在使能引腳連接VIN的某些情況下，啟動時間可能會大幅增加，因為帶隙參考需要一定的穩定時間。在穩壓器需要頻繁關閉和啟動以節省功耗的便攜系統中，穩壓器的啟動時間是一個重要的考慮因素。
限流閾值：限流閾值被定義為輸出電壓下降到給定典型值的90%時的負載電流。例如，3V輸出電壓的限流閾值被定義為造成輸出電壓下降到3.0V的90%或2.7V時的負載電流。
工作溫度范圍：工作溫度范圍可以由環境溫度和結點溫度加以規定。由于LDO會發熱，因此IC的工作溫度總是超過環境溫度，比環境溫度高出多少取決于工作狀態和PCB熱設計。數據手冊上規定有最大結點溫度(TJ)，因為在最大結點溫度之上工作過長的時間會影響器件的可靠性——統計學上稱為平均故障時間(MTTF)。
熱關斷(TSD)：大多數LDO具有自動溫度調節裝置，用于防止IC發生熱失控。當結點溫度超過規定的熱關斷閾值時，這個裝置將關斷LDO。為了在重啟之前讓LDO冷卻下來，要求一定的滯后時間。TSD很重要，因為它不單單保護LDO;過多的熱量影響的不止是穩壓器。從LDO傳導到PCB(或從電路板上更熱的元件傳導到LDO)的熱量隨著時間的推移可能破壞PCB材料和焊接可靠性，也會破壞附近元件，進而縮短便攜設備的壽命。另外，熱關斷將影響系統的可靠性。因此，用于控制電路板溫度的熱設計(散熱器、冷卻裝置等)是重要的系統考慮因素。
使能輸入：LDO使能信號以正和負邏輯的形式提供，用于關閉和啟動LDO。高電平有效邏輯在使能端電壓超過邏輯高電平門限時使能器件，低電平有效邏輯在使能端電壓低于邏輯低門限電平時使能器件。使能輸入允許外部控制LDO的關閉和啟動，這是多電壓軌系統中調整電源上電順序的一個重要特性。一些LDO具要相當短的啟動時間，因為它們的帶隙參考在LDO禁用時是打開的，允許LDO更快地啟動。
欠壓閉鎖：欠壓閉鎖(UVLO)可以確保只有在系統輸入電壓高于規定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過器件穩定工作要求的電壓時才讓LDO器件上電。
輸出噪聲：LDO的內部帶隙電壓參考是噪聲源，通常用給定帶寬范圍內的毫伏有效值表示。例如，ADP121在VOUT為1.2V時，在10kHz至100kHz的帶寬范圍內有40µV rms的輸出噪聲。在比較數據手冊指標時，給定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。
電源抑制比：電源抑制比(PSR)用分貝表示，代表了LDO在寬的頻范圍(1kHz至100kHz)內對來自輸入電源的紋波的抑制能力。在LDO中，PSR可以用兩個頻段表征。頻段1從直流到控制環路的單位增益頻率，這時的PSR取決于穩壓器的開環增益。頻段2在單位增益頻率之上，這時的PSR不受反饋環路的影響，PSR取決于輸出電壓以及從輸入到輸出引腳的任何泄漏路徑。選擇一個適合的高值輸出電容通常會改善后個頻段的PSR。在頻段1，ADI公司專有的電路設計可以減少由于輸入電壓和負載變化引起的PSR變化。為了獲得最佳的電源抑制性能，PCB版圖設計時必須考慮減小從輸入到輸出的泄漏，而且要有魯棒性的接地性能。
最小輸入和輸出電容：最小輸入和輸出電容應大于在各種工作條件 (尤其是工作電壓和溫度) 下的規定值。在器件選型時必須考慮應用中的各種工作條件，確保滿足最小的電容規格。推薦使用X7R和X5R型電容。Y5V和Z5U電容不推薦在任何LDO電路中使用。
反向電流保持特性：采用PMOS傳輸管的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管。當VIN大于VOUT時，這個二極管將處于反偏狀態。如果VOUT大于VIN，這個本征二極管將變成前向偏置，產生從VOUT到VIN的電流，進而造成破壞性的功耗。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，有額外的電路防止從VOUT到VIN的反向電流流動。反向電流保護電路檢測到VOUT超過VIN時，將反轉本征二極管連接的方向，使二極管仍處于反偏狀態。
軟啟動：可編程軟啟動有助于減小啟動時的浪涌電流和提供上電順序。對于啟動時要求浪涌電流受控的應用，有些LDO(如ADP1740/ADP1741)提供了可編程的軟啟動(SS)功能。為了實現軟啟動，在SS和地引腳之間需要連接一個小的陶瓷電容。
結束語
LDO執行的是一個重要功能。雖然概念上很簡單，但在應用時需要考慮許多方面的因素。本文介紹了基本的LDO拓撲，解釋了一些關鍵指標和低壓差穩壓器在系統中的應用。在數據手冊中還包含了許多有用的信息。欲了解進一步信息(選型指南、數據手冊、應用筆記)——以及獲取人工幫助的方式——請訪問電源管理6網站。這個網站同時還提供業界最快、最精確的DC/DC電源管理設計工具7ADIsimPower™.