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其指定的輸出電壓，輸入和輸出電壓之間的差異非常小。這種差異稱為壓差或裕量要求，在80 A時可低至2 mV。可調輸出低壓差穩壓器11977年首次引起公眾關注。如今，便攜式設備通常需要多達20個低壓差線性穩壓器。當今便攜式設備中的許多LDO都集成到多功能電源管理IC中2（PMIC） — 具有 20 個或更多電源域的高度集成系統，用于音頻、電池充電、內務管理、照明、通信和其他功能。

然而，隨著便攜式系統的快速發展，集成的PMIC無法滿足外設電源要求。在系統開發的后期階段，必須添加專用的LDO，為攝像頭模塊、藍牙、WiFi和其他螺栓固定模塊等可選項目供電。LDO還被用作降噪的創可貼，以解決由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線引起的電壓調節問題，并通過關閉不需要的功能來提高系統效率。

本文回顧了基本的LDO拓撲結構，解釋了關鍵規格，并展示了低壓差穩壓器在系統中的應用。將使用ADI公司LDO系列的設計特性給出示例3.

圖1.LDO以低壓差（額定負載電流下Vout與Vin的最低指定值之差）調節輸出電壓。

基本 LDO 架構4.LDO由基準電壓源、誤差放大器、反饋分壓器和調整管組成，如圖1所示。輸出電流通過調整器件提供。其柵極電壓由誤差放大器控制，誤差放大器將基準電壓與反饋電壓進行比較，放大差值以降低誤差電壓。如果反饋電壓低于基準電壓，則調整管的柵極被拉低，允許更多的電流通過并增加輸出電壓。如果反饋電壓高于基準電壓，則調整管的柵極被拉高，從而限制電流并降低輸出電壓。

該閉環系統的動態特性基于兩個主要極點：誤差放大器/調整管形成的內極點和放大器輸出阻抗和輸出電容的等效串聯電阻（ESR）形成的外部極點。輸出電容及其ESR會影響環路穩定性和對負載電流瞬態變化的響應。建議使用1歐姆或更低的ESR以確保穩定性。此外，LDO 需要輸入和輸出電容來濾除噪聲和控制負載瞬變。較大的值可改善LDO的瞬態響應，但會增加啟動時間。ADI公司的LDO設計為在使用指定電容時在指定工作條件下保持穩定。

LDO效率。提高效率是設計工程師的持續要求。這意味著靜態電流（Iq）和正向壓降的降低。

以智商為分母，很明顯，智商越高，效率越低。今天的LDO具有相當低的Iq，為簡單起見，如果Iq與ILOAD相比非常小，則在效率計算中可以忽略Iq。那么LDO效率就是（Vo/Vin）*100%。由于LDO無法存儲大量未使用的能量，因此未輸送到負載的功率在LDO內以熱量的形式消散。

LDO提供穩定的電源電壓，不受負載和線路變化、環境溫度變化和時間推移的影響，電源電壓和負載電壓之間的差異很小，效率最高。例如，當鋰離子電池從 4.2 V（完全充電）降至 3.0 V（放電）時，連接到電池的 2.8 V LDO 將在負載下保持恒定的 2.8 V（壓差低于 200mV），但其效率將從充滿電電池的 67% 增加到放電電池的 93%。

為了提高效率，可以將LDO連接到由高效開關穩壓器產生的中間電壓軌。例如，對于3.3 V開關穩壓器，LDO效率將恒定為85%，整體系統效率將為81%，假設開關穩壓器的效率為95%。

電路特性增強了LDO性能：使能輸入允許外部控制LDO導通和關斷，從而允許在多電源軌系統中按適當的順序對電源進行排序。軟啟動可限制浪涌電流，并控制上電期間的輸出電壓上升時間。睡眠狀態可最大限度地減少功耗，這在基于電池的系統中特別有用，同時允許快速開啟。如果溫度超過指定值，熱關斷將關閉 LDO。過流保護限制了LDO的輸出電流和功耗。欠壓閉鎖在電源電壓低于規定的最小值時禁用輸出。圖2顯示了便攜式設計的簡化典型電源系統。

Figure 2. Typical power domains in a portable system.

Understanding Linear Regulator Requirements

LDOs for Digital Loads: Digital linear regulators, such as the ADP170 and ADP1706, are designed to support the main digital requirements of a system, usually microprocessor cores and system input/output (I/O) circuitry. LDOs for DSPs and microcontrollers have to work with good efficiency and handle high and rapidly varying currents. Newer application requirements put tremendous strain on the digital LDO, because processor cores often change clock speed to save energy. The clock-speed variation, in response to software-induced loading, translates into a demanding need for LDO load-regulation capability.

數字負載的重要特性是線路和負載調整率以及瞬態下沖和過沖。為低壓微處理器內核供電時，精確的輸出控制始終非常重要;監管不足會使核心閂鎖。上述參數并不總是出現在數據手冊中，瞬態響應圖可能顯示響應瞬態信號的樂觀上升和下降速度。線路和負載調整率以兩種方式表示：在特定負載電流下輸出電壓隨負載變化的偏差百分比、實際 V/I 值或兩者兼而有之。

為了節省能源，數字LDO采用低Iq設計以延長電池壽命，便攜式系統在軟件空閑時具有長時間的低功耗運行。在不活動期間，系統將進入睡眠狀態，這需要LDO關斷并消耗小于1 μA。當LDO處于休眠模式時，所有電路（包括帶隙基準電壓源）均關斷。當系統返回活動模式時，需要快速導通時間，在此期間，數字電源電壓不得過沖。過沖過大會導致系統閂鎖，有時需要取出電池或激活主復位按鈕以糾正問題并重新啟動系統。

用于模擬和射頻負載的 LDO：ADP121和ADP130中的低噪聲和高電源抑制（PSR）對于模擬環境中使用的LDO非常重要，因為模擬器件對噪聲比數字器件更敏感。模擬LDO的要求主要由無線接口要求驅動：“不會傷害接收器或發射器，并且不會在音頻系統中產生爆裂聲或嗡嗡聲。無線連接極易受到噪聲的影響，如果噪聲干擾信號，接收器的有效性可能會降低。在考慮使用模擬線性穩壓器時，器件必須抑制來自上游源和下游負載的噪聲，同時又不增加進一步的噪聲。

模擬穩壓器的噪聲以伏特均方根和PSR為單位，其抑制上游噪聲的能力。增加一個外部濾波器或旁路電容可以降低噪聲，但會增加成本和尺寸。降噪和電源噪聲抑制也可以通過LDO內部設計的謹慎和獨創性來實現。在選擇LDO時，重要的是要查看與每個系統所需的整體性能相關的產品詳細信息。

關鍵LDO規格和定義

注意：制造商數據表首頁上的規格是簡短的摘要，通常以強調器件吸引人的功能的方式呈現。關鍵參數通常強調典型的性能特征，只有在查閱文檔正文中的完整規范和其他數據時，才能更充分地理解這些特征。此外，由于制造商在規格呈現方式上幾乎沒有標準化，電源設計人員需要了解用于獲取電氣規格表中列出的關鍵參數的定義和方法。系統設計人員應密切關注關鍵參數，例如環境和結溫范圍、圖形信息的 X-Y 標度、負載、瞬態信號的上升和下降時間以及帶寬。我們在此討論與ADI公司LDO的表征和應用相關的重要參數。

輸入電壓范圍：LDO的輸入電壓范圍決定了最低可用輸入電源電壓。規格可能顯示較寬的輸入電壓范圍，但最低輸入電壓必須大于壓差加上所需的輸出電壓。例如，150 mV 壓差意味著輸入電壓必須高于 2.95 V，才能獲得穩定的 2.8 V 輸出。如果輸入電壓降至2.95 V以下，輸出電壓將降至2.8 V以下。

接地（靜態）電流：靜態電流 Iq 是在指定負載電流下測量的輸入電流 IIN 和負載電流 IOUT 之間的差值。對于固定穩壓器，Iq 與接地電流 Ig 相同。適用于可調電壓穩壓器，例如ADP1715，靜態電流是接地電流減去來自外部電阻分壓器網絡的電流。

關斷電流：禁用設備時消耗的輸入電流。對于便攜式 LDO，通常低于 1.0 μA，此規格對于便攜式設備關閉時長時間待機期間的電池充電壽命非常重要。

輸出電壓精度：ADI公司的LDO專為高輸出電壓精度而設計;它們在 1°C 時經過工廠調整至±25% 以內。 輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍內指定;錯誤指定為 x% 最壞情況±。

線路調整率：線路調整率是輸出電壓隨輸入電壓變化而變化。為了避免由于芯片溫度變化而導致的不準確性，測量是在低功耗條件下或使用脈沖技術進行的。

動態負載調整率：只要負載電流變化緩慢，大多數LDO就可以輕松保持輸出電壓幾乎恒定。然而，當負載電流快速變化時，輸出電壓也會發生變化。當受到負載電流變化時，輸出電壓的變化程度決定了負載瞬態性能。

壓差：壓差是指維持穩壓所需的輸入和輸出電壓之間的最小差值。也就是說，LDO可以在輸入減小時保持輸出負載電壓恒定，直到輸入達到輸出電壓加上壓差，此時輸出“壓差”于穩壓。壓差應盡可能低，以最大限度地降低功耗并最大限度地提高效率。通常，當輸出電壓降至低于其標稱值100 mV時，認為達到壓差。負載電流和結溫會影響壓差。最大壓差應在整個工作溫度范圍和負載電流范圍內指定。

啟動時間：啟動時間定義為使能信號上升沿至VOUT達到其標稱值的90%之間的時間。該測試通常在施加VIN且使能引腳從關斷切換到導通的情況下進行。注意：在某些情況下，如果使能連接到VIN碼，啟動時間可能會大大增加，因為帶隙基準電壓源需要時間才能穩定下來。穩壓器的啟動時間對于頻繁關閉和打開以節省便攜式系統功耗的應用來說是一個重要的考慮因素。

限流門限：限流閾值定義為輸出電壓降至指定典型值的90%的負載電流。例如，3.0 V輸出電壓的電流限制定義為導致輸出電壓降至90.3 V或0.2 V的7%的電流。

工作溫度范圍：工作溫度范圍可由環境和結溫指定。由于LDO散熱，IC將始終在環境溫度之上工作。高于環境溫度的程度取決于工作條件和PCB熱設計。指定最大結溫 （TJ），因為長時間高于最大結溫的操作可能會影響器件可靠性，統計上指定為平均失效時間 （MTTF）。

熱關斷：大多數LDO都有硅恒溫器，用于保護IC免受熱失控的影響。它們用于在結溫超過指定的熱關斷門限時關斷LDO。需要遲滯以使LDO在重新啟動之前冷卻。TSD很重要，因為它保護的不僅僅是LDO;過熱影響的不僅僅是調節器。從LDO傳導到PCB的熱量（或從電路板上較熱的元件傳導到LDO）會隨著時間的推移損壞PCB材料和焊接連接，還會損壞附近的組件，從而縮短便攜式設備的使用壽命。此外，熱關斷會影響系統可靠性。因此，控制電路板溫度（散熱、冷卻等）的散熱設計是一個重要的系統考慮因素。

啟用輸入：LDO使能（以正邏輯和負邏輯提供）可打開和關閉器件。當使能電壓超過邏輯高閾值時，高電平有效邏輯使能器件。當使能電壓低于邏輯低門限時，低電平有效邏輯使能器件。使能輸入允許對LDO導通和關斷進行外部控制，這是多電源軌系統中電源排序的一個重要特性。一些LDO的啟動時間要短得多，因為它們的帶隙基準電壓源在LDO禁用時導通，從而使LDO能夠更快地導通。

欠壓鎖定：欠壓鎖定（UVLO）將確保僅當系統輸入電壓高于指定閾值時，才向負載提供電壓。UVLO很重要，因為它只允許器件在輸入電壓等于或高于器件穩定運行所需的電壓時上電。

輸出噪聲：LDO的內部帶隙基準電壓源是噪聲源，通常以特定帶寬內的微伏均方根為單位。例如，ADP121在40.10 V輸出時，在100 kHz至1 kHz范圍內具有2 μV rms的輸出噪聲。在比較數據手冊規格時，指定的帶寬和工作條件是重要的考慮因素。

電源抑制：PSR以分貝表示，用于衡量LDO在寬頻率范圍（1 kHz至100 kHz）內抑制來自輸入電源的紋波的程度。在LDO中，PSR可以用兩個頻段來表征。頻段1從直流到控制環路的單位增益頻率;PSR由穩壓器的開環增益設定。頻段2高于單位增益頻率;PSR 不受反饋回路的影響。此處PSR由輸出和從輸入到輸出引腳的任何泄漏路徑設置。選擇適當的高值輸出電容通常會改善后一個頻段的PSR。在頻段1中，ADI公司的專有電路設計減少了由于輸入電壓和負載變化而導致的PSR變化。為了獲得最佳電源抑制，必須考慮PCB布局以減少從輸入到輸出的泄漏，并且接地應可靠。

最小輸入和輸出電容：在整個工作條件下，最小輸入和輸出電容應大于規定值，尤其是工作電壓和溫度。在選擇器件時，必須考慮應用中的所有工作條件，以確保滿足最小電容規格。建議使用 X7R 和 X5R 型電容器;不建議將 Y5V 和 Z5U 電容器與任何 LDO 一起使用。

反向電流保護功能：具有PMOS調整器件的典型LDO在VIN和VOUT之間有一個本征體二極管。當VIN大于VOUT時，該二極管反向偏置。如果VOUT大于VIN，本征二極管將變為正向偏置，并在VOUT之間傳導電流，從而可能導致破壞性功耗。一些LDO，如ADP1740/ADP1741，具有額外的電路，以防止從VOUT到VIN的反向電流。反向電流保護電路檢測VOUT何時大于VIN并反轉本征二極管連接的方向，使二極管反向偏置。

軟啟動：可編程軟啟動可用于降低啟動時的浪涌電流和提供電壓排序。對于啟動時需要受控浪涌電流的應用，ADP1740/ADP1741等LDO提供可編程軟啟動（SS）功能。為了實現軟啟動，在SS至GND之間連接一個小陶瓷電容器。

結論

LDO 執行至關重要的功能。雖然概念簡單，但在應用它們時需要考慮許多因素。本文回顧了LDO的基本拓撲結構，并解釋了低壓差穩壓器在系統中的關鍵規格和應用。數據表包含許多有用的信息。

審核編輯：郭婷