一篇帶給你LDO的原理及應用
01LDO定義
LDO即lowdropoutregulator，是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。這是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5V轉3.3V，輸入與輸出之間的壓差只有1.7v，顯然這是不滿足傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的工作條件的。針對這種情況，芯片制造商們才研發(fā)出了LDO類的電壓轉換芯片。
02LDO的特點
低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩(wěn)壓器可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA，電壓降只有100mV。
看了上面的定義，在不了解LDO結構的前提下，大家使用模電知識可以聯(lián)想到下圖低壓降穩(wěn)壓器。
上圖是最基本的穩(wěn)壓電路，核心器件是穩(wěn)壓管，它的穩(wěn)壓工作區(qū)間決定了輸出穩(wěn)壓的范圍，通過這種簡單電路，可以實現(xiàn)小電流(百mA級別)，小動態(tài)范圍內的穩(wěn)壓。
把上面電路升級一下，如下圖：
上述電路僅多了一個2N3055三極管，目的就是提升輸出帶載能力，同時三極管還引入了電壓負反饋，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大，輸出電壓Vout會瞬間增加，三極管的射極電Ve壓隨之增大，如果基極電壓Vb不變，則Vb-Ve就會減小，進而輸出電流減小，Vout減小。
上圖只是簡單基礎的低壓降穩(wěn)壓器。注意，和我們說的LDO，差了“線性”二字。這里看出上述電路輸出電壓Vout會受到Vbe電壓波動的影響，穩(wěn)定性較差。且輸出電壓不可調節(jié)。
03LDO電路
在上述電路的基礎上添加“線性”因素，也就是引入運算放大器，加深負反饋的同時提高輸出電壓穩(wěn)定性。這也就構成了我們所說的低壓差線性穩(wěn)壓器。電路圖如下
在基本穩(wěn)壓管調整電路基礎上增加了運算放大器A和分壓電阻采樣網(wǎng)絡R1和R2。當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大，輸出電壓Vout會瞬間增加，通過R1、R2分壓采樣得到的電壓也增加，由于是反向端輸入，運放A的輸出會相應減小，則Vb-Ve就會減小，進而輸出電流減小，Vout減小。由上圖電路可以知道，LDO是通過電阻分壓的，也即是LDO只能降壓，不能升壓。而且電流不能過大。
04LDO應用
LDO的芯片有很多種，我使用過的有AMS1117，spx3819，TLV702x等等。下面我們以spx3819為例簡單說一下LDO的應用。
spx3819的特點如下
- 低噪聲：可能達到40uV
- 高精度：1%
- 電池反接保護
- 低壓降：滿載時為340mV
- 低靜態(tài)電流：90uA
- 零關模電流
- 固定輸出：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V，5.0V
不同的LDO具有不同的性能，大家根據(jù)自己實際項目的需求選擇。
spx3819的電路圖如下，可以看到LDO外圍電路十分簡單。這也是LDO的優(yōu)點。
spx3819提供了3種不同的封裝，適用于很多場景。
它有輸出額定電壓版本，也就是上文說到的固定輸出：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V，5.0V，通過不同的型號后綴區(qū)分。
當然也提供了調節(jié)電壓的版本，電路和輸出電壓公式如下
05功耗問題
上面我們講解到LDO的原理，是通過電阻分壓的，這使得LDO不適用于大電流的場景，一般不大于1A。這也引出了LDO繞不開的話題：功耗和散熱問題。
選擇LDO首先要考慮的是LDO的最大輸入電壓范圍和LDO電流輸出的能力
然后較大的電流或較大的LDO電壓降會導致較高的組件功率損耗
下圖顯示的是在特定功率下，LDO電壓降和LDO電流之間的關系
當LDO的功耗增加時，LDO封裝的散熱功能也必須能夠配合，常見的封裝如下
LDO的功耗是曲跨于LDO上的電壓降乘以流過LDO的電流而決定，功率主要是損耗在LDO的導通組件，是硅晶變熱
損耗的功率取決于IC封裝、PCB布局、環(huán)境溫度
例如：SOT23的封裝，透視圖如下
中心引腳連接到貼著晶粒的導線架。散熱主要是向空中散熱，通過引腳向PCB散熱。
因為外側引腳與硅晶粒之間的結合線很細，也就是下圖的4個引腳，所以主要靠中間的引腳散熱，上面也說過，中間引腳連接著導線架。所以可以設計中間的引腳的PCB比較寬。
還有SOP-08的封裝，底層的銅線也可以用于散熱。
如果按照下圖設計，散熱效果會更好
06總結
LDO的優(yōu)點包括：
(1)結構簡單，外圍器件少，使用方便。
(2)無開關噪聲，可應用于要求高精度低噪聲的模擬電路中。
但缺點也同樣明顯：
(1)只能降壓，不能升壓。
(2)效率低，特別是輸入電壓高的情況下，一般負載電流小于1A情況下使用。
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