浅析LDO电源设计

电源

1.前言

目前现有显示屏电源使用分类主要有俩种，一种是DC DC开关电源另一种就是线性电源。现在要说的LDO就是属于线性电源的一种，因具有比较低的调整管压差而得名。在介绍LDO电源之前，先来了解什么是线性电源。
线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分，如下图所示。

调整原理如下：直流输出电压由于输入电压升高或输出负载电流减小而升高时，串接晶体管（设为NPN型）基极电压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从而保持采样电压等于参考电压。这种负反馈控制在输出电压下降时也同样起作用。
此时误差放大器输出会使串接晶体管基极电压上升，集电极电阻减小，直流输出电压升高，使采样电压等于参考电压。实质上，输入电压的任何变化都会被串联晶体管等效电阻所调整，使输出电压保持不变，其恒定程度与反馈放大器的开环增益相关。
晶体管始终工作在线性状态，电路损耗为各元件直流损耗。
串接NPN型晶体管的线性调整器，若基极驱动由Vin经Rb提供，则Vin与Vout之间必须存在最小压差以保证向内的基极驱动电流。
线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。
线性电源的主要缺点是串接晶体管存在过大功耗，所有的负载电流都必须通过串接晶体管，其功耗为（Vin – Vo) Io。大多数情况下，串接NPN型晶体管的最小压差（Vin – Vo) 为2.5V。在效率计算可近似为Vo/Vin*100%的情况下(忽略 LDO 静态电流 )，电路效率太低！
为解决压差过大（功耗过大）而不适合用在低电压转换的问题，出现了LDO（Low Dropout Linear Regulator ）。

2.LDO介绍
低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺点。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个LDO输入电源是3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%。虽然就较大的输入与输出电压差而言，
确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。
在LDO中，产生压差的主要原因是在调整元件中有一个P沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等效为一个电阻，Rds(on)

Vdropout = Vin - Vout = Rds(on) x Iout (式A)

LDO的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络，保护电路等。基本工作原理是这样的：
系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，
此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：

Vout=（R1+R2）/R2 * ref V          (式B)

3.LDO的主要参数
a.输出电压(Output Voltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂家精密调整的，
所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求，但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。
b.最大输出电流(Maximum Output Current)

用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。
c.输入输出电压差(Dropout Voltage)
输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。比如，5.0V 的低压差线性稳压器，只要输入5.5V 电压，就能使输出电压稳定在5.0V。
d.接地电流(Ground Pin Current)
接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。在轻载电流时，系统效率是Iq 对系统性能产生的影响之一。基本来说，具有低Iq 的LDO 只在轻载时效率较高。这是因为负载电流增加时，Iq 只占Iin 总电流的很小一部分。
具有较高Iq 的LDO 可以大大提高系统的线路和负载阶跃响应性能。由于Iq 被LDO 用来实现稳压工作，Iq 较高的LDO 对负载需求或线路电压的突变可作出更快的响应。
e.负载调整率(Load Regulation)
负载调整率可以通过下图和式C 来定义，LDO 的负载调整率越小，说明LDO 抑制负载干扰的能力越强。


式中
△Vload—负载调整率
Imax—LDO 最大输出电流
Vt—输出电流为Imax 时，LDO 的输出电压
Vo—输出电流为0.1mA 时，LDO 的输出电压
△V—负载电流分别为0.1mA 和Imax 时的输出电压之差

f.线性调整率(Line Regulation)
线性调整率可以通过下图和式D 来定义，LDO 的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO 的性能越好。

式中
△Vline—LDO 线性调整率
Vo—LDO 名义输出电压
Vmax—LDO 最大输入电压
△V—LDO 输入Vo 到Vmax, 输出电压最大值和最小值之差

g.电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio. PSRR)
LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR 反映了LDO 对于这些干扰信号的抑制能力。
  PSRR=20 log（△vin/△vout）
LDO输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。导致LDO 输出噪声的主要来源是基准。为降低基准噪声，用于连接基准旁路电容。增大旁路电容能够使基准噪声成为产生LDO 输出噪声的次要因素，有利于减小输出噪声。
建议使用陶瓷电容的典型值为470 pF 到 0.01 μF 。也可使用此范围以外的电容，但会对输入电源上电时LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压上升速率越慢。

h.基准电压（Reference Voltage）

基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接决定了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要因素。

4.LDO 应用

LDO的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见下图。
Vin和Vout的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO有一个Bypass附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步降低噪音

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