芯谷科技讲解LDO工作原理以及输出电容的选择

时间： 2022-06-28 来源：芯谷科技

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随着电源管理IC技术的不断发展，高性能低成本的电源管理芯片越来越受到用户的青睐。LDO 线性稳压器以其低噪声、高电源纹波抑制比、微功耗和简单的外围电路结构等优点而被广泛应用于各种直流稳压电路中。

本文中芯谷科技工程师简要介绍了LDO线性稳压器的工作原理与基本性能指标，描述D1117内部架构，固定版和可调版应用线路结构，以及LDO输出电容选择。

一、LDO基本结构

LDO（low dropout regulator）是一种低压差线性稳压器，传统的线性稳压器，如D78xx系列芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7V，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。而线性稳压器LDO则只要求200mV左右即可正常工作，LDO通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio)。

基本的LDO低压差线性稳压器线路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、带隙基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等单元。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，带隙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阈值时，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，另外LDO还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等功能。

二、线性稳压工作原理

1. 线性稳压传统结构图

图1 线性稳压传统结构图

2. 线性稳压传统结构图分析

图1中当有一定的输入电压Vin产生时，由于齐纳二极管D（稳压二极管）参考电压Vref稳定。三极管Q基极b端首先会建立起一大于0.7V的电位，使得三极管Q处于导通状态（建立此电位的结构未画出），稳压芯片开始工作。

由于Vin有波动，假如Vin增大，Vout随之增大，那么f点的电压Vf增大，Vref-Vf减小，误差放大器输出减小，基极电压Vb减小。因为Ve=Vb-Vbe≈Vb-0.7V也同样减小，即相当于Vout减小，从而形成电压负反馈，同时Vce输出压降增大。

3. 线性稳压芯片的输出电平

(1)由于三极管Ic约等于Ie，因此通过线性稳压芯片的输入、输出电流基本相等。

(2)Vin到Vout所降的电压实际是加在了三极管Q上（即Vce=Vin-Vout），因此如果Vin与Vout压差或输出电流过大，那么内部功率三极管将严重发热导致芯片烧毁，因此数据手册中常常给出最大压差和最大结温Tjmax（最大可承受温度，一般为125℃）参数指标。有这么几个公式需注意（芯片工作条件苛刻时要考虑）：

(a)芯片内部的损耗功率Pd=（Vin-Vout）* Iout；

(b)当前芯片结温 Tj=Tc+Pd * θJA（Tc为当前环境温度；θJA为热阻，单位为℃/W，即芯片损耗功率每瓦上升的温度，受封装形式影响，数据手册中会给出）。

(3)线性稳压芯片的效率 η ≈ (Vout*Ie）/（Vin*Ic）≈ Vout/Vin，效率较低。如果Vout=3.3V，Vin=6.6V，那么效率只有50%，其余能量都用在了芯片的热损耗上。因此对于效率要求高或所需降压较大时，不适用线性稳压芯片，而应考虑开关降压型DC-DC稳压芯片。

(4)三极管Q正常工作时Vce要有一定的值，因此Vin-Vout要大于一个限定值Vdrop，即芯片正常工作时输入输出的最小压差。如果不满足，则输出无法达到设定值（大致关系如下图所示）。

现在主流的低压差线性稳压都是采用上述新型结构图，如D1117，D317等。稳压原理分析：

当Vout由于Vin波动上升时，(VEA+) -(VEA-)减小，后面便与传统结构分析相同。由于反馈电压直接从输出上取值，因此这种结构的LDO瞬态响应更好。

输出Vout与Vref的关系：

因为Iabj一般较小可忽略，所以：

此处与线性稳压传统结构不同。

三、D1117为例

1. 基本介绍

D1117是一款低压差线性电压调节器。当输入输出压差达到1.2V时，输出可正常工作，输出电流可达1A。D1117有可调电压（Adj）版本，通过两个外部电阻可实现1.25V～13.8V输出电压范围。另外还有一些固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。

从图4可看出：

（1）D1117内置有一个限流保护和一个过热保护。

（2）内部三极管通过NPN与PNP串联形成复合管（达林顿结构），使放大倍数增加。整体可等效看成PNP管（与前级管子类型相同）。

（3）输出电压固定型号的芯片1脚是GND，R1和R2集成在芯片内部；输出可调型号芯片的1脚是ADJ，R1和R2自行设计接在芯片外部。

（4）由于整体看成了PNP管，控制方式正好与上面介绍的NPN型相反（可看到误差放大器输入端接法也相反）。

当Vout由于Vin波动上升时，(VEA+) -(VEA-)增加，由于是PNP型，Vout下降，输出电压实现动态平衡。

输出电压固定芯片的接法较为简单，只需在输入输出接上滤波电容，可以使用大小电容滤波。

可发现在电路中选择了钽电容滤波。钽电容相对于铝电解电容来说性能更好，但是耐压值一般较低，选择时需十分注意（因为电压超过钽电容耐压值时会火花四溅），同时钽电容价格也相对更高。

如果条件允许，最好在输入和输出端分别加上适当的稳压二极管，防止浪涌电压。

图6中外接R1和R2自行配置，可实现不同的输出调节范围，Cadj可不添加。

四、LDO输出电容选择

一般来说，LDO 都需要输入、输出电容以保证环路的稳定，线性稳压器必须接入一个输出电容以保持其稳定性。如果将线性稳压器描述为一个简单的控制系统，那么输出电容就是该控制系统的一部分。像所有的控制系统一样，线性稳压器也有一些不稳定的区域。这些区域的稳定性很大程度上取决于该系统的两个参数：输出电容的电容值及其等效串联电阻（ESR）。基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是因为输出电容ESR过高或者过低。当选择LDO的输出电容时，一般的LDO都是选择钽电容作为最佳匹配，但是钽电容成本较高。

也有一些线性稳压器（如D1117）为了保持稳定性，要求输出电容有一定的ESR。这些稳压器是此前钽电容器广泛使用时被设计出来的。因此，推荐使用X5R或X7R电介质材料的陶瓷电容时，建议额外连接一个串联电阻到电容器上。如果特定的要求无法被满足，稳压器可能不稳定并导致输出电压振荡。

当输出电容CL和等效串联电阻Resr都比较大时，零点补偿频率会很靠前，接近第一非主极点甚至是主极点。这时增益仍将以十倍频程-20dB的速率下降，系统带宽因此被展宽，导致误差放大器内部的寄生极点也被包含在UGF内。其结果是UGF内存在三个极点和一个零点，由此导致的系统不稳定称为过补偿，见图8(b)。

当输出电容CL和等效串联电阻Resr都比较小时，零点Z0的补偿频率过高，超出了单位增益频率(UGF)的范围，其结果是单位增益频率内只存在两个极点，没有了零点，由此造成系统的不稳定称为欠补偿，见图8(c)。

图8 不同的输出电容和ESR电阻对系统稳定性影响的示意图

避免过补偿与欠补偿的唯一办法就是设计厂商应在客户选择LDO稳压器时建议其选用输出电容与ESR电阻的最佳值。因此这种补偿方式减少了用户选择高性价比电容的余地，提高了电源管理的应用成本。

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芯谷科技LDO选型表

芯谷科技提供以下技术参数的LDO选型，最高工作电压6V~40V，静态电流0.1uA~40uA，可调节输出电压，高精确度，多种封装形式

产品型号	品类	通道	VOUT精确度(%)	IOUT(A)	最高工作电压(V)	VOUT(V)	低压差(V)	静态电流(uA)	封装形式
D2940	LDO芯片	Single	1	1	30	5,6,8,9,12	0.4	1	TO-252 TO-220