LDO

摘要：本文论述了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理和主要参数，并介绍LDO的典型应用和国内发展概况。

引言

便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电，还是由蓄电池组供电，工作过程中，电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V，放完电后的电压为2.3V，变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净(无纹波、无噪声)，以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求，应在电源的输入端加入线性稳压器，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波[1]。

一.LDO的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

图1-1 低压差线性稳压器基本电路

取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

应当说明，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。

二.低压差线性稳压器的主要参数

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。该电流有时也称为静态电流，但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时，这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5.负载调整率(Load Regulation)

负载调整率可以通过图2-1和式2-1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。

图2-1 Output Voltage&Output Current

(2-1)

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

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6.线性调整率(Line Regulation)

线性调整率可以通过图2-2和式2-2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。

图2-2 Output Voltage&Input Voltage

(2-2)

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

7.电源抑制比(PSSR)

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。

三.LDO的典型应用

低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示。图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器，如图3-1(b)所示。低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。

众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，如图2-3(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此，要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图3-1(d)所示。

图3-1 低压差线性稳压器(LDO)典型应用

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四.国内LDO发展概况

中国集成电路(IC)产业经过40余年的发展，已经形成了一个良好的产业基础，并已经进入了一个加速发展的新阶段[2]。借鉴国外先进技术，充分利用国内优惠政策，是当前国内各个IC公司发展的立足点。

作为被广泛应用于手机、DVD、数码相机以及Mp3等多种消费类电子产品中的稳压芯片，LDO已引起人们的高度重视。国内早期从事LDO生产的圣邦微电子有限公司生产的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO，足以满足当前市场上主流电压、电流的需要;它的SG2004、SG2011以及SG2012系列产品，非常适合于大电流负载应用;而它的SGM2007/2006/2005系列RF LDO更适用于手机电源的应用。尽管是国产芯片，但这些芯片的性能丝毫不逊色于国外同类产品，而价格更适合于当前国内市场。

由此看来，国内与国外IC发展的差距将不会越来越大，每个国人都可以相信，中国不仅可以成为IC产业的新兴地区，更能成为世界IC强国。

参考文献

1.王国华，王鸿麟，羊彦等.便携电子设备电源管理技术.西安电子科技大学出版社.2004,1

2.蔺建文.正在崛起的中国集成电路产业.国家集成电路设计西安产业化基地.2002

作者：曹会宾

在选择低压降线性调节器(LDO) 时,需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围及其封装的功耗能力。但是,便携式应用通常还需要考虑更多问题,比如接地电流或静态电流 (IGND 或 IQ)、电源波纹抑制比 (PSRR)、噪声与封装大小等通常也是为便携式应用决定最佳 LDO 选择的考虑要素。

输入、输出以及降低电压

首先要选择输入电压范围可以适应电源的LDO。表1列出了便携式设备所采用的流行电池的电压范围。

在确定 LDO 是否能够提供预期输出电压时,需要考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和,即 VIN >VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的电压以下,则我们说 LDO 出现“压降”,输出等于输入减去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以负载电流。

需要注意压降时的性能变化。驱动旁路晶体管的误差放大器完全打开或者出于“待发状态”(cocked),因此不产生任何环路增益。这意味着线路与负载调节性能很差。另外,PSRR 在压降时也会显著降低。

选用可提供预期输出电压的 LOD 作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项,外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。利用可调 LDO 可以设置输出,以提供内部参考电压,其一般为 1.2V 左右,只需把输出连接到反馈引脚。请与厂商确认是否具备该功能。

负载电流要求

考虑负载需要的电流量并据此选择 LDO。请注意,比如额定电流为150mA 的 LDO 可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范,或者咨询有关厂商。

封装与功耗

便携式应用本身存在空间限制,因此解决方案的大小至关重要。裸片可以最小化尺寸,但是缺乏封装的诸多优势,如保护、行业标准以及能够被现有装配架构轻松采用等特性。芯片级封装 (CSP) 能在提供裸片的尺寸优势的同时还可以带来封装的许多优势。

在无线手持终端市场需求的推动下,CSP产品正不断推陈出新。例如,采用0.84mm×1.348mm CSP的德州仪器 200mA RF LDO于2003年9月份上市,其采用可轻松装配的高板级可靠性的技术。其他小型封装包括流行的3mm×3mm SOT-23、小型2.13mm×2.3mm SC-70,以及亚1毫米高度封装 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及无引线四方扁平封装 (QFN)。由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫,QFN 因而可提供更好的散热特性。

请注意不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)/(IOUT + IQ) 进行计算。一般来说,封装尺寸越小,功耗越小。但是QFN封装可以提供极佳的散热性能,这种性能完全可与尺寸是其1.5～2倍的众多封装相媲美。

LDO拓扑与静态电流IQ

为了使电池的运行时间最大化,需要选择相对于负载电流来说静态电流IQ较低的LDO。例如,考虑到IQ只增加0.02%的微不足道的电池消耗,在100mA负载情况下,一般采用200μA的IQ比较合理。

另外,还需要注意的是,由于电池的放电特性,某些情况下压降会对电池寿命产生决定性影响。由于碱性电池放电速度较慢,其电源电压在压降情况下可以提供比NiMH电池更多的容量。必须在IQ和压降之间仔细权衡,以便在电池寿命期间获得最大的容量,因此,较低的IQ并不能始终保证长电池寿命。

需要注意IQ在双极拓扑中的表现。IQ不但随负载电流变化很大,而且在压降情况下会有所增加。

另外,需要注意在数据表中对IQ是如何规定的。某些器件是在室温条件下规定的,或者只提供显示IQ与温度关系的典型曲线。尽管这些情况有用,但是并不能保证最大的静态电流。如果IQ比较重要,则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证IQ的器件,并且需要选择MOS类旁路元件。

输出电容器

典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO,可以降低尺寸与成本,另外还可以完全消除这些元件。请注意,利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选,因为它们价格低而且故障模式是断路,相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。请注意,输出电容器的等效串联电阻 (ESR) 会影响其稳定性,陶瓷电容器具有较低的ESR,大概为10 mΩ量级,而钽电容器ESR在100 mΩ量级。另外,许多钽电容器的ESR随温度变化很大,会对LDO性能产生不利影响。如果温度变化不大,而且电容器和接地之间串联适当的电阻(一般200mΩ),可以取代陶瓷电容器而使用钽电容器。需要咨询LDO厂商以确保正确的实施。

RF与音频应用

最后,考虑便携式应用中所采用的专用电路的功率要求。RF电路包括LNA(低噪声放大器)、升压/降压转换器、混频器、PLL、VCO、IF放大器和功率放大器等,需要采用具有低噪声和高PSRR的LDO。在设计现代收发系统时应非常小心,以保证低噪声和高线性。

电源噪声会增加VCO的相位噪声,而且会进入接收或发送放大器。在W-CDMA等流行手机技术对频谱再生和邻道功率提出严格要求的情况下,进入放大器的基/栅或收集器/漏极电源的极少量电源噪声就会产生邻道噪声或假信号。

为了满足手机、MP3、游戏以及多媒体PDA应用等便携式设备中的音频需求,可能需要300～500mA的LDO。而且,为了获得良好的音频质量,这种LDO在音频频率(20Hz～20kHz)时应该是低噪声并可提供高PSRR。

蜂窝电话设计需要低压差、低噪声、高PSRR、低静态电流(Iq)、低成本的线性稳压器，并要求这些线性稳压器能够提供稳定的输出，输出端允许采用超小型电容器。当然，理想情况下可以用一片低压差线性稳压器(LDO)满足系统任何电路、任何指标的要求，但从性价比考虑这种方式并不是最佳的。

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基带芯片组供电电源

大多数蜂窝电话基带芯片组需要三组电源：内部数字电路、模拟电路和外设接口电路。基带处理器(BB)的数字电路供电电压的典型值为1.8V至2.6V，一般情况下，Li+电池电压降至3.2V-3.3V时电话将被关闭，对于为基带处理器供电的LDO来说至少有500至600mV的压差，因此对压差要求不高。另外，数字电路本身对LDO的输出噪声和PSRR的要求也不高，而是要求LDO在轻载条件下具有极低的静态电流，因为LDO需要始终保持有效。一种典型的GSM芯片组内核数字电路的电源电流随时间变化的情况。待机模式下，微处理器耗电仅200 A，而电话在绝大多数时间处于待机状态。如果用静态电流为2 A的LDO替代100 A的LDO，将节省98 A的电流，使待机时间延长1.485倍。

基带处理器内部模拟电路供电电压典型值是2.4V至3.0V，压差在200mV至600mV。要求LDO具有较高的低频(GSM电话为217Hz)纹波抑制能力，消除由RF功率放大器产生的电池电压纹波。LDO始终保持有效工作状态，同样需要较低的静态电流指标。

RF供电电源

RF电路分为接收和发送两部分，供电电压典型值为2.6V至3.0V，其中低噪声放大器(LNA)、混频器、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和中频(IF)电路需要低噪声、高PSRR的LDO。实际应用中，VCO、PLL电路的性能直接影响射频电路指标，如发射频谱的纯度、接收器的选择性、模拟收发器的噪声、数字电路的相位误差等。噪声会改变振荡器的相频和幅频特性，同时振荡器环路也会进一步放大噪声，可能对载波产生调制。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，需要在基准的输出端增加一路低通滤波器，滤波器可以集成在线性稳压器内部或由外部电路实现。内置滤波器占用了较大的管芯尺寸，有些低噪声LDO芯片只是提供一个基准的引脚，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。

影响LDO输出噪声的其它因素还有：LDO内部极点、零点和输出极点。增大输出电容的容量或减轻输出负载有利于降低高频输出噪声。为射频电路选择LDO时，要慎重比较噪声指标，确保旁路电容、输出电容和负载条件一致。

TCXO供电

温补晶振(TCXO)为手机的IF电路提供参考频率，它需要一个具有开/关控制的、超低噪声LDO供电，虽然TCXO电路耗电不足5mA，但它要求用一个单独的LDO供电，以便隔离其它噪声源对LDO输出的影响。另外，它还需要LDO在RF功率放大器的突发频率点具有较高的PSRR。例如，GSM手机要求LDO于217Hz频点的PSRR至少为65dB。

RTC供电

实时时钟(RTC)LDO需要为RTC提供电流的同时还要为备用电池(钮扣电池)充电，蜂窝电话的备用电池电压一般为3V或2.5V，这部分电路的LDO始终保持有效的工作状态(即使在手持终端关闭的情况下)，所以RTC LDO要具有极低的静态电流。另外，还要提供具有较低漏电流的反向电流保护。

音频电源

新型音频电路，如免提电话、游戏机、MP3及蜂窝电话中的多媒体电路，可能需要300mA-500mA的大电流LDO。LDO要在音频范围(20Hz至20kHz)具有低噪声、高PSRR特性，以保证良好的音质。CDMA射频发送器的峰值电流大约为600mA，而GSM发送器突发电流的峰值为1.7A。射频功放直接由电池供电时GSM发送突发电流在电池上产生的噪声。由于电池是手机内部所有LDO的输入电源，这些纹波直接影响了稳压器的输出质量。例如：如果一个LDO在217Hz的PSRR是40dB， LDO输出噪声的峰值为4.35mV。而扬声器输入端的交流音频信号电平也只有10mV至20mV，所以这个噪声会发出较大的"喀嗒"声。

LDO应用的考量因素[zz]

2007-01-16　12:34:35

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1、选择 LDO的基本要素

包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。此外，地脚电流 Ignd 或静态电流 Iq、电源波纹抑制比 PSRR、噪声及封装等也是 LDO 选择时的应关注的因素。

2、输入输出电压差

输入输出电压的差值是 LDO 最重要的参数之一。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，稳压器的性能越好，效率越高。反之，当确定 LDO 能够提供预期输出电压时，需要进一步考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即

Vin > Vout + Vdropout。

如果 Vin 降低至必需的电压以下，则我们说 LDO 出现“压降”，输出等于输入减去旁路元件的 RDS(on) 乘以负载电流。LDO 的最大优点就是：满载的跌落压降一般小于 500mV。轻载时的压降只有 10 到 20mV。

3、静态电流

LDO自身存在的静态电流，不容忽视。例如，电池供电时，为最大化电池的运行时间，应选择相对于负载电流来说，Iq 极低的 LDO。假设，LDO供电时，Iq 只增加0.02%的微不足道的电池消耗，那么在 100mA 负载情况下，采用 200μA 的 Iq 就比较合理。

4、外围的电容器

典型的 LDO 应用时，需要添加额外的输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的 LDO，可以降低尺寸与成本，另外某些情形甚至可省略这些电容。一般地做法是，选用较低串联等效阻抗 ESR 的电容器可提高 PSRR、降低噪声以及保持对负载变化的快速瞬态响应能力，而不仅仅是提高电容容量的问题。从这方面讲，可节约一定的成本。

5、低功耗设计中的问题

由于电池的放电特性的差异性，某些情况下，压降对电池寿命将产生决定性影响。例如，碱性电池放电速度就比较慢些，其电源电压在压降情况下可以提供比 NiMH 电池更多的容量。因此，较低的 Iq 并不能始终保证长电池寿命。哈哈，这点似乎与上面的第 3 点互相矛盾!你必须在 Iq 和压降之间仔细权衡，以便在电池寿命期间获得最大的容量，这才是最重要的。