一、 LDO結構和工作原理

LDO:全稱是(Low Dropout Regulator)低壓差線性穩壓器。其中核心部件是工作在線性區域的調整管。如下圖中的VT（MOS管），LDO由VT、放大器、反饋電阻等部分組成。

如上圖所示，通過R1和R2電阻對Vout輸出電壓進行分壓采樣，然后和LDO內部的參考電壓Vref進行比較，差值經過放大器，放大后控制驅動VT。當Vout減小時，電阻分壓采樣值和Vref的差值變大，放大器的輸出電壓變大，使VT壓降變小。當Vout增加時，電阻分壓采樣值和Vref的差值變小，放大器的輸出電壓變小，使VT壓降變大。通過上述，使Vout穩定維持在設定值。

LDO可以通過調節R1和R2電阻值，來實現對Vout值的設定。當前市面上的LDO根據輸出電壓是否可調分為兩種。輸出電壓不可調的，通常是將R1和R2電阻集成在內部。輸出電壓可調的，通常引出Vref（Adj）腳，通過外部反饋電阻進行調節。

LDO的工作原理。從本質上來說是基于反饋的原理。負載變化，輸入電壓的變化等因素對Vout的影響都會通過反饋電路輸入到放大器的輸入端，并通過放大器的輸出，將Vout調整成設定值。

二、 LDO的特性參數

1、 輸入電壓

基于制造工藝的差異，所有器件的輸入電壓都有一個范圍，不同的LDO的輸入電壓范圍差異很大，比如貝嶺公司的BL1117最大輸入電壓為12V。而長電的CJ78L05最大輸入電壓為30V。在設計的時候根據自己實際使用場景進行選型即可。

2、 輸出電壓

輸出電壓是LDO重要的參數之一。上文提到過，當前市面上的LDO根據輸出電壓是否可調分為兩種，兩者的優劣勢如下：

固定輸出電壓的LDO，優勢在于不要外部反饋電阻，輸出電壓精準。缺點是可以選擇的輸出電壓種類少。對于固定輸出的LDO，其精度可以從規格書上直接獲取。

可調輸出電壓的LDO，優勢在于可以根據規格書上提供的Vref參考電壓，調節出自己想要的電壓。對于一些特殊場景的電壓使用需求非常友好。劣勢在于需要額外增加電阻，因為電阻存在精度差異，Vref也存在精度差異，兩者配合使用，往往導致可調電壓的LDO精度較差。在設計的時候如想獲得較高的精度建議選擇固定輸出電壓的LDO

當然在某些場合，可調電壓的LDO有很好的設計靈活性。如設計需求要求輸出1.8V時，但當LDO器件與耗電器件距離比較遠，需要考慮PCB走線上的壓降，通常需要輸出電壓高于1.8V。這時就可以靈活的將LDO輸出電壓調節高于1.8V，從而抵消PCB走線壓降帶來的影響。

下圖是BL1117關于輸出電壓的規格參數，BL1117根據后綴區分不同類型的輸出電壓，既有固定輸出電壓的LDO，也有可調輸出電壓的LDO，它們的規格書是集成在一起的。

3、 輸出電流

輸出電流決定了LDO的器件成本和封裝體積，封裝體積越大，往往輸出電流較大。與DCDC不同，LDO輸出電流較DCDC往往偏小。

值得注意的是，輸出電流，不是LDO選型的關鍵因素，LDO的選型往往和功耗和溫度有很大關系，下文會詳細介紹。

4、 輸入輸出電壓差

壓差Dropout是LDO選型時重要參數，器件資料中，壓差參數往往是以輸出電流為條件定義的，輸出電流越大，壓差越大。不同LDO的Dropout參數差別很大，一般而言，當LDO內部的調整管選用MOS管時，往往能獲得較小的輸入輸出壓差。

這個地方說明一下，器件手冊上的輸入輸出壓差指的是，滿足Vout輸出電壓要求，Vin的最小輸入電壓等于Vout輸出加上壓差（VINmin=Vout+Vdrop）。以BL1117 LDO為例，比如LDO設計輸出電壓是3.3V@1A那么Vin最小要大于4.8V（3.3V+1.5V=4.8V）。

如下是BL1117在不同輸出電流情況下的壓差和最大的輸出電流，供參考。

5、 功耗

LDO最主要的缺點是功耗偏大。

對于LDO而言，輸入輸出間的壓差不可以避免，且這種壓差全部轉換成熱能。比如LDO的Vin=5V，Vout=3.3V，工作電流I=1A，那么在LDO上產生的功耗P=（Vin-Vout）*I，即P=（5-3.3）*1=1.7W。
這個功耗甚至超過了輸出20A的DCDC電路所產生的功耗。所以在LDO電路設計中，雖然輸出電流不大，但是不能忽略散熱問題。為了提高散熱功能，很多LDO都提供專門的散熱焊盤，該焊盤位于器件的腹部，來提高散熱的能力。

注意散熱焊盤需要多打地孔與PCB板子的GND連接到一起，通過整體PCB的GND進行散熱。

6、 線性調整率

線性調整率（Line Regulation）是指，在某種負載電流的條件下，當輸入電壓發生變化時，對輸出電壓的變化量。LDO手冊上線性調整率參數，往往是以確認的負載電流以及確認的電壓輸入變化量作為條件。線性調整率越小，輸入電壓變化對輸出電壓的影響越小，LDO的性能越優異。
如下是BL1117 LDO的線性調整率

7、 負載調整率

負載調整率（Load Rehulation）是指，在某種輸入電壓的測試條件下，當負載電流發生變化時，對輸出電壓的變化量。LDO手冊上負載調整率參數，往往是以確認的輸入輸出電壓以及確認的負載電流變化量作為條件。
負載調整率越小，負載電流變化對輸出電壓的影響越小，LDO的性能越優異。在負載變化較大的應用中，負載調整率時LDO選型的重要參數。
如下是BL1117 LDO的負載調整率

8、 靜態電流

靜態電流是指除了輸出電流以外，在LDO器件內部所消耗的電流。通常負載電流越大，靜態電流越大。

9、 溫度

對于集成電路器件來說，資料上通常會給出幾個溫度，下面我們分別說一下幾個溫度
Ambient Temperature(Ta)：環境溫度，指器件工作時候允許的環境溫度，用Ta表示。
Storage Temperature(Ts)：儲存溫度，指器件存放時候允許的環境溫度，用Ts表示。
Operating Junction Temperature(Tj)：節點（結點）溫度，指器件內部PN節的溫度，用Tj表示。
Thermal Resistance（θjc）：指器件內部節點（結點）（PN節）到器件外殼的熱阻參數，用θjc來表示。
Thermal Resistance Junction-to-Ambient（θja）：指器件內部節點（結點）（PN節）到環境的熱阻參數，用θja來表示。

如下是結溫環溫的熱阻的定義

如下是BL1117關于溫度的相關參數，封裝的不同，熱阻參數也是不同。


通過上述參數，基于熱阻參數θja、最大功耗Pmax、環境溫度Ta、可以計算出器件工作時的結溫：Tj=Ta+Pmax*θja。

同理通過上述方法可以計算出最大功耗和最大的電流。比如使用BL1117-1.8V(SOT-223)進行5V->1.8V,LDO工作的環境溫度為65℃，Pmax=(Tj-Ta)/θja=(125-65)/136=441.2mW,則最大電流Imax=441.2mW/(5-1.8)=137.8mA

在LDO電源設計中，溫度是重要的參數，在選型中，同一型號的器件，往往有商規和工規兩種可供選擇，區別在于工作溫度范圍不同。

對于器件工作溫度范圍的定義，不同廠商定義方式不同，有的使用結溫（Tj）來進行定義，有的使用環境溫度來定義，也有同時存在的，如同時存在，建議按照結溫（Tj）進行計算，在閱讀規格書的時候，需仔細分清楚。

在設計的需要注意，θja取決于器件封裝，散熱方式等因素，而散熱方式又取決于單板的熱設計，因此很多廠商會給出θjc的參數，而器件外殼到環境的熱阻參數θca由散熱方式決定，通過這種方式計算的結溫往往更準。

在設計的時候，其核心訴求往往是最大輸出電流，通過上述的方式的計算結溫的公式，其實能看出，修改LDO上的壓降也可以做到增大輸出電流，降低結溫的目的。降低LDO壓降方法1）修改輸入Vin電壓，2）在輸入上串入二極管，通過二極管的壓降，降低Vin將熱量轉移到二極管上。

三、 LDO的設計要點

1、 分壓電阻選擇

在可調輸出的LDO中，分壓電阻決定了輸出電壓值，在設計中需要注意，分壓電阻越小，電阻功耗則越大，而分壓電阻太大，又不能滿足LDO偏置電流的要求。

通常器件手冊中會給出分壓電阻的建議值。大家按照建議值設計即可，如需要設置特殊輸出電壓，在手冊中找到相近的電壓設置電阻，使用相同量級的電阻即可。

實際的反饋電阻選型其實是由最小負載電流決定的，以BL1117 LDO為例，Imin最大是10mA，為了滿足最小負載電流(>10mA)的要求，R1建議為125ohm或更低。由于BL1117-ADJ能在2mA左右的負載電流下保持自身穩定，R1不允許高于625ohm。

2、 Vref濾波

根據LDO的工作原理可知，Vref（Vadj）（基準電壓）的穩定性與LDO輸出的紋波和噪聲密切相關。

為了減少器件的面積，很多LDO中不提供對Vref（Vadj）pin的濾波電容。在這種情況下通常在Vref（Vadj）引腳附近添加對地10uf電容，以保證Vref低噪聲和低紋波。

濾波電容的選型原則，以BL1117-ADJ為例，電容的阻抗在紋波的頻率范圍內小于R1反饋電阻值，這樣可以防止紋波被放大，由于R1通常在100Ω~500Ω的范圍內，Cadj的阻抗應滿足如下公式:1/(2πf*Cadj)<R1。其中的f的頻率是紋波的頻率

3、 壓降

壓降（Dropout）參數上文有描述，但在設計中還是要預留裕量，壓降參數和兩個因素有關系：負載電流、工作溫度。負載電流越大，工作溫度越高，壓降越大。

下圖是BL1117-Adj輸出電流和壓降（Dropout）的關系圖

4、 電流降額

隨著電源技術的發展，市面上出現很多支持較大電流的LDO芯片。但是無論LDO技術如何更新，其功耗始終是壓差（Dropout）與輸出電流的乘積，電流越大，功耗必然越大。所以在實際的使用的過程中需要注意熱設計，LDO的周圍盡量不要放置其他發熱器件。

如上文提到，輸出電流決定了功耗，功耗又影響結溫，所以在設計時候，進行LDO選型需要留有一定的裕量。

5、 紋波抑制比

紋波抑制比（PSRR），反映了LDO對于干擾信號的抑制能力，也有手冊上把它稱作SVR（如BL1117上稱為SVR。LM1117上稱為PSRR），其實是一個意思，通常器件手冊上會提供紋波抑制的數據，并給出測試條件。

計算公式如下

其中Ripple_in為輸入電壓紋波的峰值電壓，Ripple_out為輸出電壓紋波的峰值電壓。以BL1117為例，通過LDO可以將輸入紋波衰減1000倍。

注意：PSRR有效作用頻率在100KHz以內，高頻段能濾波能力減弱。如下圖示意。

6、 效率計算

LDO的輸入功率Pin除以輸出功率Pout稱作效率（靜態電流較小，通常忽略）。即η=Pin/Pout,因為LDO的輸入輸出電流一致，所以LDO的效率其實就是輸入輸出的電壓比。想要提供效率，盡量在滿足壓差（Dropout）條件下，降低輸入電壓。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【科普贴】LDO电源详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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