线性稳压器LDO的原理与应用

时间： 2024-05-18 来源：艾创微微信公众号

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DC/DC变换器已广泛应用于各种移动电子系统中，如移动通信终端、便携式电脑、PDA等。低电压、低压差（Low Dropout）线性稳压器 LDO在功能上属于DC/DC变换器中的降压变压器，具有结构简单、低噪声、低功耗以及小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用。

一、LDO概述

LDO（Low Dropout）线性稳压器，比传统的稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。LDO线性稳压器和开关式稳压器成为当今便携式电子产品中最常用的两类电源管理电路。

LDO有Bipolar（双极性）和CMOS（单极性）两种。一般而言，双极性芯片可以工作在较高的工作电压下，并且有较高的跨导，容易设计。而CMOS的最佳特性是它的输入端仅需要极小的偏流。

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、反馈电阻网络和保护电路等。

二、LDO原理

根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。此外，还有一种使用稳压管的小电源。在这里我们只讨论LDO线性稳压电源，下面以线性稳压器ICW2231为例来进行分析：

首先，ICW2231系列产品是合肥艾创微电子科技有限公司以CMOS工艺制造的18V耐压、低功耗、高PSRR，高精度低压差线性稳压器。内置固定电压基准，温度保护，限流电路，相位补偿电路以及低内阻的MOSFET，达到高纹波抑制，高精度低压差的性能。

ICW2231系列兼容体积比钽电容更小的陶瓷电容，而且不需使用0.1uF的By-pass电容，更能节省空间。

ICW2231系列的高速响应特性能应付负载电流的波动，所以特别适合使用于手持及射频产品上。

图 1

图1为ICW2231的功能示意图，其基本电路由串联调整管、取样电阻、比较放大器组成。

其基本工作原理：上电时，使能脚处于高电平，电路启动，恒流源电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入上升，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 *Vref。

三、LDO相关参数

（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中的红线与蓝线之间的压差来定义，压差越小，LDO的负载调整率就越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图 2

（6）线性调整率（Line Regulation）

线性调整率可以通过图3中的红线与蓝线之间的压差来定义，压差越小，LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响就越小，说明LDO的性能越好。

图 3

四、LDO应用时的PCB设计

PCB板设计要点：要得到一个稳定和低噪音的稳压电路或系统，要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必须靠近LDO，可以把PCB板按功能分成几块，如图4所示。

图 4

（1）保持通路在输入电压Vin、输出电压Vout之间，输入电容Cin、输出电容Cout接地要短，以降低噪音和干扰；

（2）采样电阻R1、R2和反馈电容CFB必须保持靠近芯片的FB反馈脚，以防噪音；

（3）大面积地直接连接芯片的GND地脚和输入电容Cin、输出电容Cout的负端。

最后再跟大家分享一下LDO（低压差线性稳压器）在设计时所需要注意的事项：

（1）LDO最大输出电流

按照2/3原则选择，即电路总消耗电流的3/2倍，若电路总消耗电流50 mA，那么LDO的最大输出电流为75mA。

（2）封装散热以及功耗

功耗=（输入电压-输出电压）*工作电流，按照1/2原则选择LDO封装，达不到的在PCB上应增加散热面，功耗大的可以安装散热片。

（3）注意压降

压降=输入电压输出电压之间的压差，压降符合LDO规格才能稳定输出，不然输出达不要求，如压降2V的LDO，想要输出电压5V，输入电压就要7V。

（4）静态电流

静态电流指的是LDO工作本身需要消耗的电流。特别是用电池供电的产品，需要选用较低静态电流的LDO以提升产品的待机时间。

（5）滤波电容

参考LDO规格书要求，选用合适的电容，选用容量过小的电容，输出的电压可能会不稳或者纹波比较大。如果输入的电源纹波本身就比较大，输入和输出端建议选用更大容量的电容；电容的耐压值也需要注意，一般使用2倍原则来选用。假如输入端电压为24V，那么最好选择50V耐压的电容，如果耐压值实在达不到2倍也不能少于1.5倍。否则设计的产品是不可靠的。

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