【科普贴】LDO电源详解

一、 LDO结构和工作原理

LDO:全称是(Low Dropout Regulator)低压差线性稳压器。其中核心部件是工作在线性区域的调整管。如下图中的VT（MOS管），LDO由VT、放大器、反馈电阻等部分组成。

如上图所示，通过R1和R2电阻对Vout输出电压进行分压采样，然后和LDO内部的参考电压Vref进行比较，差值经过放大器，放大后控制驱动VT。当Vout减小时，电阻分压采样值和Vref的差值变大，放大器的输出电压变大，使VT压降变小。当Vout增加时，电阻分压采样值和Vref的差值变小，放大器的输出电压变小，使VT压降变大。通过上述，使Vout稳定维持在设定值。

LDO可以通过调节R1和R2电阻值，来实现对Vout值的设定。当前市面上的LDO根据输出电压是否可调分为两种。输出电压不可调的，通常是将R1和R2电阻集成在内部。输出电压可调的，通常引出Vref（Adj）脚，通过外部反馈电阻进行调节。

LDO的工作原理。从本质上来说是基于反馈的原理。负载变化，输入电压的变化等因素对Vout的影响都会通过反馈电路输入到放大器的输入端，并通过放大器的输出，将Vout调整成设定值。

二、 LDO的特性参数

1、 输入电压

基于制造工艺的差异，所有器件的输入电压都有一个范围，不同的LDO的输入电压范围差异很大，比如贝岭公司的BL1117最大输入电压为12V。而长电的CJ78L05最大输入电压为30V。在设计的时候根据自己实际使用场景进行选型即可。

2、 输出电压

输出电压是LDO重要的参数之一。上文提到过，当前市面上的LDO根据输出电压是否可调分为两种，两者的优劣势如下：

固定输出电压的LDO，优势在于不要外部反馈电阻，输出电压精准。缺点是可以选择的输出电压种类少。对于固定输出的LDO，其精度可以从规格书上直接获取。

可调输出电压的LDO，优势在于可以根据规格书上提供的Vref参考电压，调节出自己想要的电压。对于一些特殊场景的电压使用需求非常友好。劣势在于需要额外增加电阻，因为电阻存在精度差异，Vref也存在精度差异，两者配合使用，往往导致可调电压的LDO精度较差。在设计的时候如想获得较高的精度建议选择固定输出电压的LDO

当然在某些场合，可调电压的LDO有很好的设计灵活性。如设计需求要求输出1.8V时，但当LDO器件与耗电器件距离比较远，需要考虑PCB走线上的压降，通常需要输出电压高于1.8V。这时就可以灵活的将LDO输出电压调节高于1.8V，从而抵消PCB走线压降带来的影响。

下图是BL1117关于输出电压的规格参数，BL1117根据后缀区分不同类型的输出电压，既有固定输出电压的LDO，也有可调输出电压的LDO，它们的规格书是集成在一起的。

3、 输出电流

输出电流决定了LDO的器件成本和封装体积，封装体积越大，往往输出电流较大。与DCDC不同，LDO输出电流较DCDC往往偏小。

值得注意的是，输出电流，不是LDO选型的关键因素，LDO的选型往往和功耗和温度有很大关系，下文会详细介绍。

4、 输入输出电压差

压差Dropout是LDO选型时重要参数，器件资料中，压差参数往往是以输出电流为条件定义的，输出电流越大，压差越大。不同LDO的Dropout参数差别很大，一般而言，当LDO内部的调整管选用MOS管时，往往能获得较小的输入输出压差。

这个地方说明一下，器件手册上的输入输出压差指的是，满足Vout输出电压要求，Vin的最小输入电压等于Vout输出加上压差（VINmin=Vout+Vdrop）。以BL1117 LDO为例，比如LDO设计输出电压是3.3V@1A那么Vin最小要大于4.8V（3.3V+1.5V=4.8V）。

如下是BL1117在不同输出电流情况下的压差和最大的输出电流，供参考。

5、 功耗

LDO最主要的缺点是功耗偏大。

对于LDO而言，输入输出间的压差不可以避免，且这种压差全部转换成热能。比如LDO的Vin=5V，Vout=3.3V，工作电流I=1A，那么在LDO上产生的功耗P=（Vin-Vout）*I，即P=（5-3.3）*1=1.7W。
这个功耗甚至超过了输出20A的DCDC电路所产生的功耗。所以在LDO电路设计中，虽然输出电流不大，但是不能忽略散热问题。为了提高散热功能，很多LDO都提供专门的散热焊盘，该焊盘位于器件的腹部，来提高散热的能力。

注意散热焊盘需要多打地孔与PCB板子的GND连接到一起，通过整体PCB的GND进行散热。

6、 线性调整率

线性调整率（Line Regulation）是指，在某种负载电流的条件下，当输入电压发生变化时，对输出电压的变化量。LDO手册上线性调整率参数，往往是以确认的负载电流以及确认的电压输入变化量作为条件。线性调整率越小，输入电压变化对输出电压的影响越小，LDO的性能越优异。
如下是BL1117 LDO的线性调整率

7、 负载调整率

负载调整率（Load Rehulation）是指，在某种输入电压的测试条件下，当负载电流发生变化时，对输出电压的变化量。LDO手册上负载调整率参数，往往是以确认的输入输出电压以及确认的负载电流变化量作为条件。
负载调整率越小，负载电流变化对输出电压的影响越小，LDO的性能越优异。在负载变化较大的应用中，负载调整率时LDO选型的重要参数。
如下是BL1117 LDO的负载调整率

8、 静态电流

静态电流是指除了输出电流以外，在LDO器件内部所消耗的电流。通常负载电流越大，静态电流越大。

9、 温度

对于集成电路器件来说，资料上通常会给出几个温度，下面我们分别说一下几个温度
Ambient Temperature(Ta)：环境温度，指器件工作时候允许的环境温度，用Ta表示。
Storage Temperature(Ts)：储存温度，指器件存放时候允许的环境温度，用Ts表示。
Operating Junction Temperature(Tj)：节点（结点）温度，指器件内部PN节的温度，用Tj表示。
Thermal Resistance（θjc）：指器件内部节点（结点）（PN节）到器件外壳的热阻参数，用θjc来表示。
Thermal Resistance Junction-to-Ambient（θja）：指器件内部节点（结点）（PN节）到环境的热阻参数，用θja来表示。

如下是结温环温的热阻的定义

如下是BL1117关于温度的相关参数，封装的不同，热阻参数也是不同。


通过上述参数，基于热阻参数θja、最大功耗Pmax、环境温度Ta、可以计算出器件工作时的结温：Tj=Ta+Pmax*θja。

同理通过上述方法可以计算出最大功耗和最大的电流。比如使用BL1117-1.8V(SOT-223)进行5V->1.8V,LDO工作的环境温度为65℃，Pmax=(Tj-Ta)/θja=(125-65)/136=441.2mW,则最大电流Imax=441.2mW/(5-1.8)=137.8mA

在LDO电源设计中，温度是重要的参数，在选型中，同一型号的器件，往往有商规和工规两种可供选择，区别在于工作温度范围不同。

对于器件工作温度范围的定义，不同厂商定义方式不同，有的使用结温（Tj）来进行定义，有的使用环境温度来定义，也有同时存在的，如同时存在，建议按照结温（Tj）进行计算，在阅读规格书的时候，需仔细分清楚。

在设计的需要注意，θja取决于器件封装，散热方式等因素，而散热方式又取决于单板的热设计，因此很多厂商会给出θjc的参数，而器件外壳到环境的热阻参数θca由散热方式决定，通过这种方式计算的结温往往更准。

在设计的时候，其核心诉求往往是最大输出电流，通过上述的方式的计算结温的公式，其实能看出，修改LDO上的压降也可以做到增大输出电流，降低结温的目的。降低LDO压降方法1）修改输入Vin电压，2）在输入上串入二极管，通过二极管的压降，降低Vin将热量转移到二极管上。

三、 LDO的设计要点

1、 分压电阻选择

在可调输出的LDO中，分压电阻决定了输出电压值，在设计中需要注意，分压电阻越小，电阻功耗则越大，而分压电阻太大，又不能满足LDO偏置电流的要求。

通常器件手册中会给出分压电阻的建议值。大家按照建议值设计即可，如需要设置特殊输出电压，在手册中找到相近的电压设置电阻，使用相同量级的电阻即可。

实际的反馈电阻选型其实是由最小负载电流决定的，以BL1117 LDO为例，Imin最大是10mA，为了满足最小负载电流(>10mA)的要求，R1建议为125ohm或更低。由于BL1117-ADJ能在2mA左右的负载电流下保持自身稳定，R1不允许高于625ohm。

2、 Vref滤波

根据LDO的工作原理可知，Vref（Vadj）（基准电压）的稳定性与LDO输出的纹波和噪声密切相关。

为了减少器件的面积，很多LDO中不提供对Vref（Vadj）pin的滤波电容。在这种情况下通常在Vref（Vadj）引脚附近添加对地10uf电容，以保证Vref低噪声和低纹波。

滤波电容的选型原则，以BL1117-ADJ为例，电容的阻抗在纹波的频率范围内小于R1反馈电阻值，这样可以防止纹波被放大，由于R1通常在100Ω~500Ω的范围内，Cadj的阻抗应满足如下公式:1/(2πf*Cadj)<R1。其中的f的频率是纹波的频率

3、 压降

压降（Dropout）参数上文有描述，但在设计中还是要预留裕量，压降参数和两个因素有关系：负载电流、工作温度。负载电流越大，工作温度越高，压降越大。

下图是BL1117-Adj输出电流和压降（Dropout）的关系图

4、 电流降额

随着电源技术的发展，市面上出现很多支持较大电流的LDO芯片。但是无论LDO技术如何更新，其功耗始终是压差（Dropout）与输出电流的乘积，电流越大，功耗必然越大。所以在实际的使用的过程中需要注意热设计，LDO的周围尽量不要放置其他发热器件。

如上文提到，输出电流决定了功耗，功耗又影响结温，所以在设计时候，进行LDO选型需要留有一定的裕量。

5、 纹波抑制比

纹波抑制比（PSRR），反映了LDO对于干扰信号的抑制能力，也有手册上把它称作SVR（如BL1117上称为SVR。LM1117上称为PSRR），其实是一个意思，通常器件手册上会提供纹波抑制的数据，并给出测试条件。

计算公式如下

其中Ripple_in为输入电压纹波的峰值电压，Ripple_out为输出电压纹波的峰值电压。以BL1117为例，通过LDO可以将输入纹波衰减1000倍。

注意：PSRR有效作用频率在100KHz以内，高频段能滤波能力减弱。如下图示意。

6、 效率计算

LDO的输入功率Pin除以输出功率Pout称作效率（静态电流较小，通常忽略）。即η=Pin/Pout,因为LDO的输入输出电流一致，所以LDO的效率其实就是输入输出的电压比。想要提供效率，尽量在满足压差（Dropout）条件下，降低输入电压。