對大多數應用而言，產(chǎn)品數據表的基本參數的規格明白易懂。遺憾的是，產(chǎn)品數據表并不會(huì )列出針對每種可能的電路條件的參數。因此，若要發(fā)揮LDO的最大優(yōu)勢，就必須理解主要性能參數及其對既定負載的影響。設計工程師需要通過(guò)嚴密分析周?chē)�電路條件，來(lái)確定LDO是否適合特定負載。

本文分析了LDO的主要性能參數，以及它們對于向電子系統中的各種器件提供干凈的輸出電壓的影響，另外還將討論設計工程師在優(yōu)化系統時(shí)（特別是在電流水平較高時(shí)）必須考慮的因素。

如何在應用中使用LDO

在大多數應用中，LDO主要用于將靈敏的負載與有噪聲的電源相隔離。與開(kāi)關(guān)穩壓器不同，線(xiàn)性穩壓器會(huì )在通路晶體管或MOSFET（用來(lái)調節和保持輸出電壓來(lái)達到所需的精度）中造成功率耗散。因此，就效率而言，LDO的功率耗散會(huì )是一個(gè)顯著(zhù)劣勢，并可能導致熱問(wèn)題。所以，設計工程師需要通過(guò)盡可能降低LDO功率耗散，來(lái)提升系統效率和避免熱復雜性，這一點(diǎn)很重要。

LDO是用于電壓調節的最老和最常用器件；然而，其許多主要性能參數并未得到人們的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。盡管成本是一項非常重要的因素，但推動(dòng)LDO使用的主要因素是系統的功率要求和受電負載可接受的噪聲水平。LDO還可用于降噪，以及修復由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線(xiàn)造成的問(wèn)題。

對于電流消耗非常低的負載，LDO的功率耗散非常小，所以由于其簡(jiǎn)單、成本低和易用性而成為必然之選。但是，對于電流消耗大于500mA的負載，其他因素變得更重要，有時(shí)甚至很關(guān)鍵。在這類(lèi)應用中，系統工程師應當對那些在較高電流水平條件下重要性會(huì )提升的性能參數多加考慮，如壓差、負載調節和瞬態(tài)性能。

LDO是線(xiàn)性穩壓器的一種，所以人們常常拿它與傳統線(xiàn)性穩壓器相比，特別是在成本方面。很重要的一點(diǎn)是要理解通路元件是LDO的核心，且該核心及其周?chē)�電路對LDO的性能具有決定性影響。

LDO內部

LDO包含三個(gè)基本功能元件：一個(gè)參考電壓、一個(gè)通路元件和一個(gè)誤差信號放大器，如圖1所示。正常工作期間，通路元件充當電壓控制器電流源。通路元件由來(lái)自誤差信號放大器的補償控制信號驅動(dòng)，誤差信號放大器可感測輸出電壓并將其與參考電壓進(jìn)行比較。所有這些功能塊都會(huì )影響LDO的性能。LDO生產(chǎn)商的產(chǎn)品數據表始終包括相應規格，用以說(shuō)明這些功能元件的性能。

圖1：LDO框圖。

從圖2可以看出，LDO穩壓器設計中通常有四種不同的通路元件：基于NPN型晶體管的穩壓器、基于PNP型晶體管的穩壓器、N通道基于MOSFET的穩壓器和P通道基于MOSFET的穩壓器。

圖2：LDO穩壓器中使用的四種不同的晶體管。

通常，基于晶體管的穩壓器比基于MOSFET的穩壓器具有更高的壓差。另外，基于晶體管的穩壓器的晶體管通路元件的基極驅動(dòng)電流與輸出電流成比例。這會(huì )直接影響基于晶體管的穩壓器的靜態(tài)電流。相比之下，MOSFET通路元件使用隔離柵極驅動(dòng)的電壓，使其靜態(tài)電流顯著(zhù)低于基于晶體管的穩壓器。

壓差

壓差是指在進(jìn)一步減小輸入電壓會(huì )造成輸出電壓失穩時(shí)的輸入電壓與輸出電壓之差。在壓差條件中，通路元件在線(xiàn)性區工作，相當于一個(gè)電阻。對于現在的LDO，通路元件通常采用PMOS或NMOS FET來(lái)實(shí)現，這可實(shí)現低至30mV到500mV的壓差。圖3顯示了使用PMOS FET作為通路元件的ISL80510 LDO的壓差。

圖3：ISL80510壓差。

負載調整率

負載調整率是指在給定負載變化下的輸出電壓變化，這里的負載變化通常是從無(wú)負載到滿(mǎn)負載，對應的負載調整率如方程式1所示：

負載調整率體現了通路元件的性能和穩壓器的閉環(huán)DC增益。閉環(huán)DC增益越高，負載調整率越好。

線(xiàn)性調整率

線(xiàn)性調整率是指在給定輸入電壓變化下的輸出電壓變化，如方程式2所示：

由于線(xiàn)性調整率還取決于通路元件的性能和閉環(huán)DC增益，在考慮線(xiàn)性調整率時(shí)常常不包括壓差操作。因此，線(xiàn)性調整率的最小輸入電壓必須高于壓差。

電源抑制比（PSRR）

PSRR表示LDO抑制由輸入電壓造成的輸出電壓波動(dòng)的能力，如方程式3所示。線(xiàn)性調整率只有在直流電時(shí)才需要考慮，但PSRR必須在寬頻率范圍上考慮。

考慮傳統的閉環(huán)系統，小信號輸出電壓V ?_out可由方程式4表示：

其中V ?_in是小信號輸入電壓，G_vg是從輸入到輸出電壓的開(kāi)環(huán)傳遞函數，k_v是輸出電壓感測增益，G_C是補償器的傳遞函數，G_oc是從控制信號到輸出電壓的開(kāi)環(huán)傳遞函數，k_v×G_C×G_oc是閉環(huán)傳遞函數T(s)。

從式3和式4可以看出，很顯然PSRR由閉環(huán)增益T(s)和從輸入到輸出電壓的開(kāi)環(huán)傳遞函數的倒數〖1/G〗_vg組成，如圖4所示。閉環(huán)傳遞函數在較低頻率下占支配地位，從輸入到輸出電壓的開(kāi)環(huán)傳遞函數在較高頻率下占支配地位。

圖4：PSRR vs. 頻率。

噪聲

該參數通常是指LDO本身在輸出電壓上產(chǎn)生的噪聲，是帶隙電壓參考的內在特征。式4顯示了參考電壓與輸出電壓的關(guān)系。遺憾的是，閉環(huán)傳遞函數對于抑制從參考電壓到輸出電壓的噪聲效果不大。因此，大多數低噪聲LDO都需要一個(gè)額外濾波器來(lái)防止噪聲進(jìn)入閉環(huán)。

瞬態(tài)響應

LDO普遍用于負載點(diǎn)調節比較重要的應用中，例如為數字IC、DSP、FPGA 和低功率 CPU供電。此類(lèi)應用中的負載有多種工作模式，需要不同的供電電流。因此，LDO必須快速響應，以使供電電壓保持在要求的限制范圍之內。這使LDO的瞬態(tài)行為成為關(guān)鍵性能參數之一（圖5）。

如同在所有閉環(huán)系統中一樣，瞬態(tài)響應主要取決于閉環(huán)傳遞函數的帶寬。要想實(shí)現最佳瞬態(tài)響應，閉環(huán)回路帶寬必須盡可能高，同時(shí)還要確保有足夠相位余量，以保持穩定性。

圖5：ISL80510瞬態(tài)響應（2.2Vin, 1.8Vout）。

靜態(tài)電流

LDO的靜態(tài)電流（或接地電流）是通路元件的偏流和驅動(dòng)電流的組合，通常保持盡可能低的水平。另外，當PMOS或NMOS FET用作通路元件時(shí)，靜態(tài)電流相對來(lái)說(shuō)不太受負載電流的影響。因為靜態(tài)電流不會(huì )流向輸出，所以它會(huì )影響LDO的效率，如方程式5所示：

LDO內部的功率耗散定義為：

要想優(yōu)化LDO的效率，必須將靜態(tài)電流以及輸入電壓與輸出電壓之差降到最低。輸入電壓與輸出電壓之差對效率和功率耗散有直接影響，所以一般選擇最低壓差。

盡管LDO不能像開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）那樣提供較高的效率轉換，但它對于很多現在的電路來(lái)說(shuō)依然是必不可少的穩壓器。在對噪聲敏感的應用中，使SMPS實(shí)現必要的輸出紋波來(lái)滿(mǎn)足嚴格的噪聲規格要求非常具有挑戰性。因此，對SMPS的輸出添加一個(gè)LDO作為有源濾波器的情況并不少見(jiàn)。該LDO在SMPS開(kāi)關(guān)頻率下必須具備較高的PSRR。

LDO特別適用于那些需要將輸出電壓調整到略低于輸入電壓的應用。雖然降壓和升壓轉換器對最大/最小占空比有限制，但若其輸入電壓接近輸出電壓，則會(huì )導致輸出電壓失穩。

結束語(yǔ)

盡管概念和實(shí)現都比較簡(jiǎn)單，但得到廣泛使用的LDO在系統電源設計中肩負著(zhù)至關(guān)重要的功能。進(jìn)行設計優(yōu)化時(shí)需要考慮許多因素，特別是在電流水平較大的情況下。對于中到高電流應用，Intersil的ISL80510/05對所有主要LDO性能參數都能提供均衡的性能，包括低壓差、瞬態(tài)性能、電壓精度以及寬頻率范圍內接近平坦的PSRR響應。