在硬件設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）是工程師們常用的電路模塊之一。本文將深入介紹 LDO 的基本原理、關(guān)鍵參數(shù)及其在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括輸入輸出電壓、電源抑制比、額定輸出電流等關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)解析，并探討不同類型 LDO 的特點(diǎn)。

在硬件設(shè)備開發(fā)過(guò)程中，LDO 和 DC - DC 常常被拿來(lái)對(duì)比。很多工程師在面試時(shí)，也會(huì)遇到關(guān)于兩者區(qū)別及優(yōu)劣勢(shì)的考題。LDO 作為硬件設(shè)計(jì)中極為重要的電路模塊，無(wú)論是集成式芯片還是自行搭建的模塊，都值得深入了解。
LDO 即低壓差線性穩(wěn)壓器，下面為大家展示一個(gè)最簡(jiǎn)單的 LDO 電路圖。

這個(gè)電路主要運(yùn)用了誤差放大器、NMOS 管和電阻。經(jīng)計(jì)算，其 OUT 值為 3.6V，主要與參考電壓 VCC1 以及 R1、R2 有關(guān)，因此該 LDO 電路圖主要用于 5V 轉(zhuǎn) 3.6V。此電路巧妙利用了 MOS 管可變電阻的特性來(lái)保持輸出端電壓的穩(wěn)定。當(dāng)后級(jí)負(fù)載因不穩(wěn)定因素導(dǎo)致 OUT 端電壓下降時(shí)，分壓給誤差放大器 “-” 級(jí)的電壓變小，與正極參考電壓的壓差變大，根據(jù)運(yùn)放公式 Uo = A *（U + - U - ）可知輸出電壓變大。此時(shí) MOS 管工作在可變電阻區(qū)，電阻變小，使電路壓差變小，從而保持輸出穩(wěn)定。
不過(guò)，輸出電壓并非只與參考電壓和 R1、R2 相關(guān)，輸入電壓也不能任意取值。根據(jù)輸出電壓為 3.6V（即 MOS 管的 S 極電壓為 3.6V）以及 MOS 管的 Uds 擊穿電壓，我們可以推算出其最大輸入電壓。
在芯片方面，制造 LDO 芯片的廠家眾多，如 TI、UTC、艾為、ETA 等。不同廠家、不同型號(hào)的 LDO，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，但原理與上述分離式電路相同，只是集成到了芯片內(nèi)部。
接下來(lái)，我們?cè)敿?xì)探討 LDO 的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（以艾為的 AW37030D180DNR 型號(hào)的 LDO 為例）。

1. 輸入 & 輸出電壓及壓降：選型時(shí)，首先要關(guān)注 LDO 的輸入 & 輸出電壓。參考手冊(cè)上 LDO 的輸入值通常是一個(gè)范圍，輸出則是固定數(shù)值。例如該型號(hào) LDO 輸入范圍為 1.9V - 5V，輸出為 1.8V。壓降 Dropout 指正常工作時(shí)輸入與輸出的差值，正常使用需滿足 Vin > Vout + Vout (dropout)。
2. 電源抑制比：它表示 LDO 對(duì)輸入端噪聲的抑制能力。很多情況下，LDO 接在 DC - DC 電路后面，主要目的就是抑制噪聲。PSRR = 20lg [(Vin - Vripple)/( Vout - Vripple)] ，高 PSRR 的 LDO 對(duì)輸出紋波的抑制作用明顯。在 100K 到 1MHz 內(nèi)的 PSRR 非常重要，因?yàn)檫@是 DCDC 的噪聲頻率范圍，LDO 作為 DCDC 的下一級(jí)，需有能力濾除大量噪聲。在 ADC、DAC、Camera 的 AVDD 供電上，應(yīng)選擇 PSRR 大于 80dB（@100Hz）的 LDO。
3. 額定輸出電流：即通過(guò) LDO 的額定電流。設(shè)計(jì)時(shí)需特別關(guān)注，在 LDO 的 datesheet 上，我們常能看到電流電壓曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一款 LDO 在流經(jīng)不同電流時(shí)，輸出電壓值會(huì)有略微變化。
4. LDO 溫度性能：許多電子元器件都有規(guī)定的工作溫度范圍，LDO 也不例外。不同封裝的 LDO 溫度性能不同，從相關(guān)圖表中可以看出，環(huán)境溫度對(duì) LDO 的輸出有不同影響。
5. 靜態(tài)電流 I Q：指外部負(fù)載電流為 0 時(shí)，LDO 內(nèi)部電路供電所需的電流。靜態(tài)電流會(huì)受到外部輸入電壓和溫度的影響。
   
   
6. 瞬態(tài)響應(yīng)：在 LDO 應(yīng)用中，輸入電壓和輸出負(fù)載可能會(huì)劇烈變化。輸入端可能因供電設(shè)備電壓波動(dòng)而劇烈變化，輸出端可能出現(xiàn)負(fù)載切換等情況，這些都會(huì)導(dǎo)致 LDO 輸出電壓波動(dòng)。通過(guò) LDO 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，我們可以了解其在輸入電壓或負(fù)載電流劇烈變化時(shí)輸出電壓的變化情況。具有良好瞬態(tài)響應(yīng)的 LDO，輸出電壓波動(dòng)幅度小，恢復(fù)時(shí)間快。當(dāng)負(fù)載電流急劇變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定；輸入端電壓急劇變化時(shí)，LDO 的輸出也幾乎不受影響。
   
   
7. 功耗：由于 LDO 輸入與輸出電流近乎相似，其效率可等效為 Vout/Vin（理論上為 Po/Pi = Vo * Io / (Iout + IQ) * Vin），這也是 LDO 效率小于 DCDC 的原因。選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免輸入輸出壓差過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致 LDO 效率低、損耗多、發(fā)熱嚴(yán)重。為解決發(fā)熱問(wèn)題，很多廠商會(huì)為 LDO 設(shè)計(jì)專門的散熱焊盤，該焊盤位于器件腹部，通過(guò)多打地孔與 PCB 板的 GND 連接，借助整體 PCB 的 GND 實(shí)現(xiàn)散熱。
8. 電路設(shè)計(jì)：LDO 通常有四個(gè)引腳，分別為輸入、輸出、使能和接地端。IN 端接電源輸入端，前端常為 DC - DC 輸出端或其他供電端，同時(shí)輸入端接一個(gè)大電容。OUT 端接負(fù)載。CE 端為使能端，可通過(guò)觀察使能端是否為高電平判斷 LDO 是否工作。GND 端接地。在電路設(shè)計(jì)中，輸入端會(huì)連接一顆電容接地，以獲得更好的瞬態(tài)響應(yīng)并起到濾波作用。輸出電容端同樣會(huì)掛載一顆 UF 級(jí)別的大電容，用于存儲(chǔ)大量電荷，穩(wěn)定輸出電壓，增加環(huán)路穩(wěn)定性。電容的選擇可參考 datesheet 上的建議。

此外，上述 LDO 內(nèi)部選用 PMOS 的較多，NMOS 較少。雖然 NMOS 具備驅(qū)動(dòng)電流能力強(qiáng)、所占面積小以及 PSRR 更好等優(yōu)點(diǎn)，但在導(dǎo)通時(shí)需滿足 Vg - Vs > Vth 的條件。如果 LDO 輸出電壓（即 NMOS 的源極電壓）較高或驅(qū)動(dòng)電流較大，Vg 則需更大電壓才能滿足 MOS 導(dǎo)通要求，這在上述 LDO 中較難實(shí)現(xiàn)。為此，出現(xiàn)了帶有偏置電壓 Vbias 的 LDO 電路，可使柵極獲得高于 Vin 的 Vbias，輕松滿足驅(qū)動(dòng) NMOS 所需的較高柵極電壓，同時(shí)較高的 Vgs 使 RDS (on) 更小，可實(shí)現(xiàn)超低的壓降。


除了外接 Vbias 的 LDO，還有通過(guò) charge pump 來(lái)驅(qū)動(dòng) NMOS 的 LDO，目的相同。此外，存在可調(diào)電阻位于外部的 LDO，開發(fā)者可靈活設(shè)計(jì)電壓輸出值。輸出端會(huì)接入一個(gè) Cff 電容到 ADJ，該電容可改善噪聲性能、穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)和 PSRR，與降噪電容配合使用可大大改善輸出效果。

另外，還有配有 I2C 的 LDO，在手機(jī)的 Camera 中應(yīng)用較多。以 WILL 的 WL2866D 為例，它有兩個(gè)輸入（Vin1、Vin2）和四個(gè)輸出（DVDD1、AVDD1、DVDD2、AVDD2）。其中 Vin1 范圍為 0.6V - 2V，Vin2 范圍為 3 - 5.5V；DVDD 輸出范圍為 0.6 - 1.8V，AVDD 輸出范圍為 1.2 - 4.3V。在手機(jī) Camera 模組各路電中，AVDD 通常為 2.8V，電壓較大，芯片內(nèi)部采用 PMOS 方案，Vin2 作為輸入源；DVDD 通常為 1.2V，因輸出電壓小且電耗流大，內(nèi)部采用 NMOS 方案，同時(shí)選擇較大電壓的 VIN2 作為 Vbias。不過(guò)，手機(jī) Camera 模組的 DVDD 并非統(tǒng)一為 1.2V，也有 1.1V、1.05V 的情況，市面上輸出為 1.05V 的 LDO 較少，在 MTK 平臺(tái)更是需在自家 PMIC 中單獨(dú)設(shè)計(jì)一路 LDO。而這種帶 I2C 的 LDO 不僅可實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出，還能通過(guò)更改寄存器地址選擇電壓檔位。此外，為滿足后級(jí)負(fù)載下電時(shí)長(zhǎng)要求，四路 LDO 還有快速放電功能，可通過(guò)寄存器配置打開。