LDO 工作原理和主要参数

摘要：本文论述了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理和主要参数，并介绍LDO的典型应用和国内发展概况。 引言 便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电，还是由蓄电池组供电，工作过程中，电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足 电时的电压为4.2V，放完电后的电压为2.3V，变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。为了保证供电电压 稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净（无纹波、无噪声），以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设 备的要求，应在电源的输入端加入线性稳压器，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波[1]。 一．LDO的基本原理 低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。 图1-1 低压差线性稳压器基本电路 取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。 当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压 Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶 体管回路反应速度的限制。 应当说明，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。 二．低压差线性稳压器的主要参数 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2-1和式2-1来定义，LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。 图2-1 Output Voltage&Output Current (2-1) 式中 △Vload—负载调整率 Imax—LDO最大输出电流 Vt—输出电流为Imax时，LDO的输出电压 Vo—输出电流为0.1mA时，LDO的输出电压 △V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差 6．线性调整率(Line Regulation) 线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义，LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。 图2-2 Output Voltage&Input Voltage (2-2) 式中 △Vline—LDO线性调整率 Vo—LDO名义输出电压 Vmax—LDO最大输入电压 △V—LDO输入Vo到Vmax'输出电压最大值和最小值之差 7．电源抑制比(PSSR) LDO的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。 三．LDO的典型应用 低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示。图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压 经整流后变为直流电压。在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。 各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器，如图3-1(b)所示。低压差 线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出 电压稳定。 众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性稳压 器输出端接入低压差线性稳压器，如图2-3(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。 在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量，通 常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此，要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统 如图3-1(d)所示。 图3-1 低压差线性稳压器(LDO)典型应用 四．国内LDO发展概况 中国集成电路(IC)产业经过40余年的发展，已经形成了一个良好的产业基础，并已经进入了一个加速发展的新阶段[2]。借鉴国外先进技术，充分利用国内 优惠政策，是当前国内各个IC公司发展的立足点。 作为被广泛应用于手机、DVD、数码相机以及Mp3等多种消费类电子产品中的稳压芯片，LDO已引起人们的高度重视。国内早期从事LDO生产的圣邦微电子 有限公司生产的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO，足以满足当前市场上主流电压、电流的需要；它的SG2004、SG2011以及 SG2012系列产品，非常适合于大电流负载应用；而它的SGM2007/2006/2005系列RF LDO更适用于手机电源的应用。尽管是国产芯片，但这些芯片的性能丝毫不逊色于国外同类产品，而价格更适合于当前国内市场。 由此看来，国内与国外IC发展的差距将不会越来越大，每个国人都可以相信，中国不仅可以成为IC产业的新兴地区，更能成为世界IC强国。 参考文献 1．王国华，王鸿麟，羊彦等.便携电子设备电源管理技术.西安电子科技大学出版社.2004,1 2．蔺建文.正在崛起的中国集成电路产业.国家集成电路设计西安产业化基地.2002 作者：曹会宾