LDO工作原理詳解

1、田毅電壓調(diào)節(jié)器分類Charge pump (inductor less DC-DC)DC-DC (inductor)線性電源LDO原理介紹LDO參數(shù)具體實例線性電源 傳統(tǒng)線性電源 低壓差線性電源（LDO)開關(guān)類電源 Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor)原理CONTROL/ CLOCKC+C-VOUTGNDVINSHDNS1S2S3S4CoutCinCfly (Vout = 2 x Vin)CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-ICFLYCINVIN+CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-

2、ICINCFLYCOUTVOUTVIN+-+-+-工作過程工作過程1:對電容對電容CFLY充電充電工作過程工作過程2:倍壓輸出倍壓輸出倍壓電荷泵倍壓電荷泵過程過程1等效電路等效電路:過程過程2等效電路等效電路:可調(diào)電壓電荷泵可調(diào)電壓電荷泵工作原理工作原理:CONTROLVREF+-GNDSHDNS1S2S3S4VINCinVOUTCoutC+C-Cfly原理框圖電子開關(guān)整流濾波電路比較電路占空比控制電路VOVOVREFR1R2VIND1L1Q1CoutCinVin+Vin-Vout+Vout-D1L1Q1CoutCinVin+Vin-Vout+Vout-D1L1Q1CoutCinVin+Vin

3、-Vout+Vout-Q2D1outinoutinVVDVVinoutinoutinVDV1 DVVVinoutoutinVV1 DVVDC-DCinoutoutinVV1 DVVinoutoutinVV1 DVV優(yōu)點 外圍器件少，PCB面積小，花費少 無開關(guān)噪聲，紋波小缺點 降壓輸出 效率低，功耗大哪個更好？線性電源開關(guān)電源調(diào)整元件基準電壓源誤差放大器反饋網(wǎng)絡(luò)（取樣電路）調(diào)整元件誤差放大基準電壓+-Ui取樣負載UL調(diào)整元件誤差放大基準電壓取樣電路電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立輸出隨著輸入不斷上升，輸出達到規(guī)定值誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小信號

4、進行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變VOUT=（R1+R2）/R2 * Vref 實際電路比原理框圖多了啟動電路和保護電路 齊納二極管或帶隙基準源達林頓管PNP管PMOSNMOS過流保護熱保護一些復(fù)雜的LDO還會加過壓保護、欠壓保護、反接保護等 傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器調(diào)整管對輸出電壓影響最大對輸出電壓影響最大穩(wěn)定性好，低溫漂，高精度，內(nèi)阻小穩(wěn)定性好，低溫漂，高精度，內(nèi)阻小帶隙基準電壓源帶隙基準電壓源 pn結(jié)二極管產(chǎn)生電壓VBE，溫度系數(shù)為-2.0mV/；熱電壓VT=KT/q，溫度系數(shù)為+0.085mV/。BEVR

5、EFBETVVKVK=2.2/0.085=23.5，在理論實現(xiàn)零溫度系數(shù) 由于該電壓等于硅的帶隙電壓（外推到絕對溫度），所以這類基準電路也叫“帶隙”基準電路。 注：實際上利用的不是帶隙電壓，有些Bandgap結(jié)構(gòu)輸出電壓與帶隙電壓也不一致 0.650.02623.51.26REFVV 電路開始上電，由于上半部分鏡像電流源處于零電流狀態(tài)，節(jié)點1處于高電位，同樣下半部分也處于零電流狀態(tài)，節(jié)點3處于低電位，MP1導(dǎo)通，2節(jié)點電位被拉高，MN1導(dǎo)通，這樣節(jié)點1被拉低，說明鏡像電流源中的管子導(dǎo)通，有電流流過偏置231lnREFTEBRVnm VVR誤差放大一般采 用三級結(jié)構(gòu)，與 集成運放相似差分輸入級提

6、電 路共模抑制比，并且輸入電阻很大電壓放大級進一步提高電路增益輸出級一般除了提高電路增益外，最主要的作用是提高輸出擺幅，最大可能的減小輸出電阻偏置電路為電路的三部分提供合適的靜態(tài)工作點偏置。NPN 穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓器（NPN regulators） 在NPN穩(wěn)壓器的內(nèi)部使用一個 PNP管來驅(qū)動 NPN 達林頓管（NPN Darlington pass transistor），輸入輸 出之間存在至少1.5V 2.5V的壓差（dropout voltage）。這個壓差為： Vdrop 2Vbe Vsat（NPN 穩(wěn)壓器） 準準LDO 穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓器（Quasi-LDO regulators）另一種廣泛

7、應(yīng)用于某些場合是準LDO（例如：5V到3.3V 轉(zhuǎn)換器）。準LDO介于 NPN 穩(wěn)壓器和 LDO 穩(wěn)壓器之間而得名，導(dǎo)通管是由單個PNP管來驅(qū)動單個NPN 管。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間： LDO 穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓器（LDO regulators）在LDO(Low Dropout)穩(wěn)壓器中，導(dǎo)通管是一個PNP管。LDO的最大優(yōu)勢就是PNP管只會帶來很小的導(dǎo)通壓降，滿載的跌落電壓的典型值小于500mV，輕載時的壓降僅有1020mV。LDO的壓差為： LDO 穩(wěn)壓器（穩(wěn)壓器（LDO regulators） VREFVOUTVINQ1Q2Q30.7V0.7V0.3V 2VNPN Li

8、near Regulator200mVVINVREFVOUTQ1Q2PNP- - LDO50mVVREFVOUTVINQ1CMOS- -LDOVREFVOUTVINQ1Q30.7V0.3V“Quasi-“Quasi-LDO” ” Regulator1V三極管電流驅(qū)動、MOS管電壓驅(qū)動三極管靜態(tài)損耗大，MOS管靜態(tài)損耗很小雙極性管子由于其電流增益比較大，可以為負載提供相當大的電流，MOS管提供的電流相對較小NMOS的源端與負載并聯(lián)使得輸出端是一個低阻抗節(jié)點，LDO的輸出阻抗比較小且受負載波動的影響弱，輸出端上的極點處在高頻區(qū)域。但為了導(dǎo)通NMOS管，G端至少比S端高一個閾值電壓，一般情況07V。

9、如果所要求的壓降幅度比較小，那么不得不考慮另外設(shè)計升壓電路電荷泵來提高NMOS的G端電位，電路因此會變復(fù)雜。調(diào)整元件誤差放大基準電壓取樣電路4.24V+1.8V_LDOVGS=2.46V1.78VVDS=1.52V+1.8V_LDO為什么不直接使用運放？1.一般的運放輸出電壓比電源電源小23V(軌到軌運放輸出電壓可接近電源電壓）2.運放帶負載能力很弱，一般輸出電流10幾毫安，大的也就100mA左右，而且貴加三極管或加三極管或MOS起擴流作用起擴流作用 id g VO d s VDD R Vi 共漏放大可以看成一個帶負載能力很強（輸出大電流）的運放取樣后接入負端形成負反饋Vi Vo Vg Vo

10、取樣后接入正端形成負反饋100200300400VDS/VID/mA0.40.81.21.62.000VGS=2.3V2.4V2.5V2.6V2.7V2.8V2.9V3.0VP1P2P3P4P51.LDO正常工作在點P12. 負載電阻降低，輸出電流增大，輸出電壓Vo降低，VGS增大，VDS增大，工作點移動到P23. 反饋電壓降低，放大器輸出(VG)增大4. 共源放大，0AV1。VS(VO)增大，VGS增大，VDS減小，ID增大。工作點移到P35. VF與VREF之差趨于0，個系統(tǒng)恢復(fù)了平衡。 所有穩(wěn)壓器都使用反饋回路（Feedback Loop）以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 反饋信號在通過回路后都會

11、在增益和相位上有所改變，通過在單位增益（Unity Gain，0dB）頻率下的相位偏移總量來確定回路的穩(wěn)定性。 引入反饋的電路必須考慮回路穩(wěn)定性問題。負反饋越深，也容易自激振蕩。為了提高放大器在深度負反饋條件下的工作穩(wěn)定性，一般采用的消振方法為頻率補償（相位補償）極點（Pole）定義為增益曲線(Gain curve)中斜度（Slope）為20dB/十倍頻程的點（圖9：波特圖中的極點）。每添加一個極點，斜度增加20dB/十倍頻程。增加n個極點，n （20dB/十倍頻程）。每個極點表示的相位偏移都與頻率相關(guān)，相移從0到90（增加極點就增加相移）。最重要的一點是幾乎所有由極點（或零點）引起的相移都是

12、在十倍頻程范圍內(nèi)。零點（Zero）定義為在增益曲線中斜度為20dB/十倍頻程的點。零點產(chǎn)生的相移為0到90，在曲線上有45角的轉(zhuǎn)變。必須清楚零點就是“反極點” （Anti-pole）,它在增益 和相位上的效果與極點 恰恰相反。在LDO穩(wěn)壓 器的回路中添加零點可 以抵消極點。 112pOOfR C312poaparfR C212pESRbfRC12zESROfRC壓差靜態(tài)電流待機電流瞬態(tài)響應(yīng)線性調(diào)整率負載調(diào)整率電源抑制比精度功耗壓差是LDO線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，它是指系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)地，使輸出穩(wěn)定在期望輸出的最小輸入電壓和輸出電壓值差，也就是說這個輸入電壓將是系統(tǒng)能夠調(diào)整地最小輸入電壓，比這更小的

13、電壓，輸入與輸出將成線性關(guān)系下降，這一臨界輸入電壓值去期望輸出值所得的結(jié)果，就是線性穩(wěn)壓器的壓差電壓。 德州儀器（TI）電壓差定義為輸出電壓較其標稱值跌落2的輸入、輸出電壓的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標稱值小于100mV時的輸入、輸出電壓的差值靜態(tài)電流定義為輸入輸出電流之差，它反映了LDO內(nèi)部電路的功率消耗，靜態(tài)電流主要由偏置電流（提供給誤差放大器、基準電壓源和采樣電阻）與調(diào)整管的驅(qū)動電流組成，可以表示為 IQ=Iin-Io對于雙級型晶體管，靜態(tài)電流隨著負載電流成比例的增加，因為雙級型晶體管是電流驅(qū)動器件對于MOS管，靜態(tài)電流很小，幾乎不

14、隨負載的變化而變化，幾乎是一個恒定值，因為MOS管是電壓驅(qū)動器件PNP LDO的地腳電流會比較高。在滿載時，PNP管的值一般是1520。也就是說LDO的地腳電流一般達到負載電流的7% 。達林管和準LDO的靜態(tài)電流較小。在應(yīng)用中如果對靜態(tài)電流的消耗比較苛刻的話，最好是采用MOS管作為調(diào)整管的LDO待機電流是指帶有使能信號的LDO，當該信號關(guān)閉的時候LDO消耗的電流。參考電壓和誤差放大器同樣也處于不供電的狀態(tài)。可以進一步減小功耗。瞬態(tài)響應(yīng)為負載電流突變時引起輸出電壓的最大變化，它是輸出電容Co及其等效串聯(lián)電阻ESR和旁路電容Cb的函數(shù)，其中Cb的作用是提高負載瞬態(tài)響應(yīng)能力，也起到了為電路高頻旁路的

15、作用 。為了獲得更好的瞬態(tài)響應(yīng)，LDO需要更寬的帶寬，更大的輸出容量，低ESR電容（當然要滿足CSR要求）線性調(diào)整率定義了輸入變化對輸出的影響，即在負載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比|OUToINVLIConsVS1221|OUTooINVLIConsIConsVmDSeqRRSRAgRR 要減小線性調(diào)整率SL，可以提高誤差運放的放大倍數(shù)和增大調(diào)整管的跨導(dǎo)。負載調(diào)整率SZ是指在輸入電壓不變的條件下，負載發(fā)生變化時對輸出電壓的影響，即輸出變化量與負載電流變化量的比值，即有|OUTINoVVConsISz1221|OUTININoVVConsVConsImRRSzAgR和線性調(diào)整

16、率一樣，負載調(diào)整率SZ和誤差放大器的放大倍數(shù)A及調(diào)整管的跨導(dǎo)有關(guān)，為了減小負載調(diào)整率可以提高這兩個量的值。電源噪聲抑制比也被叫做紋波抑制比。是衡量LDO對輸入電壓電源變動抑制的一種能力，與線性調(diào)整率不同的一點是，紋波抑制比需要考慮很寬的頻率范圍?？刂骗h(huán)路往往是決定紋波抑制比的主要因素，大的輸出電容，低ESR ，追加旁路電容能夠改善紋波抑制比。當然前提條件是能夠滿足 ESRCSR的要求考慮到 線性調(diào)整率，負載調(diào)整率，參考電壓漂移，誤差放大器電壓漂移，外部取樣電阻的精度，溫度系數(shù)等綜合參數(shù)的總體 LDO影響，我們有了精度這個概念。對LDO輸出電壓變化影響最大的是溫度。因為參考電壓和誤差放大器對溫度的變化比較敏感。其次是電阻的精度。線性調(diào)整率，負載