LDO結(jié)構(gòu)及工作原理
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摘要 : LDO和BUCK電路有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，大部分開(kāi)關(guān)電源學(xué)習(xí)都是從線性電源(LDO是線性電源的一種)引入的，而且二者在某些小功率場(chǎng)合也可以相互替代使用。所以還是把LDO部分拿出來(lái)作為一篇總結(jié)一下
LDO和BUCK電路有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，大部分開(kāi)關(guān)電源學(xué)習(xí)都是從線性電源(LDO是線性電源的一種)引入的，而且二者在某些小功率場(chǎng)合也可以相互替代使用。所以還是把LDO部分拿出來(lái)作為一篇總結(jié)一下吧，以基本原理為重點(diǎn)。
下圖1是模擬電路中學(xué)習(xí)過(guò)的最基本的穩(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(guò)這種簡(jiǎn)單電路，可以實(shí)現(xiàn)小電流（百mA級(jí)別），小動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的穩(wěn)壓。圖1右邊電路僅多了一個(gè)三極管，目的就是提升輸出帶載能力，同時(shí)三極管還引入了電壓負(fù)反饋，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。
圖1.基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路
當(dāng)輸入電壓Vin增大或輸出負(fù)載電阻增大，輸出電壓Vout會(huì)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(huì)減小，進(jìn)而輸出電流減小，Vout減小。
上述基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路存在兩個(gè)問(wèn)題：
（1）輸出電壓不可調(diào)
（2）輸出電壓Vout會(huì)受到Vbe電壓波動(dòng)的影響，穩(wěn)定性較差。
因此，目前LDO或線性穩(wěn)壓器通常會(huì)引入運(yùn)算放大器，加深負(fù)反饋的同時(shí)提高輸出電壓穩(wěn)定性。
圖2. 通用LDO電路原理圖
圖2所示為通用LDO的原理結(jié)構(gòu)圖：在基本穩(wěn)壓管調(diào)整電路基礎(chǔ)上增加了運(yùn)算放大器A和分壓電阻采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2。當(dāng)輸入電壓Vin增大或輸出負(fù)載電阻增大，輸出電壓Vout會(huì)瞬間增加，通過(guò)R1、R2分壓采樣得到的電壓也增加，由于是反向端輸入，運(yùn)放A的輸出會(huì)相應(yīng)減小，則Vb-Ve就會(huì)減小，進(jìn)而輸出電流減小，Vout減小。下面介紹幾種目前常用的LDO或線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)：
圖3. 傳統(tǒng)NPN型穩(wěn)壓器
圖3所示，為最早的NPN型線性穩(wěn)壓器，在NPN穩(wěn)壓器的內(nèi)部使用一個(gè) PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng) NPN 達(dá)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(gè)壓差為：
圖4. 準(zhǔn)低壓線性穩(wěn)壓器QLDO
另一種廣泛應(yīng)用于某些場(chǎng)合是準(zhǔn)LDO（例如：5V到3.3V 轉(zhuǎn)換器）。準(zhǔn)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(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)NPN管。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間：
圖5.低壓差線性穩(wěn)壓器LDO
在LDO(Low Dropout)穩(wěn)壓器中，導(dǎo)通管是一個(gè)PNP管。LDO的最大優(yōu)勢(shì)就是PNP管只會(huì)帶來(lái)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(shí)的壓降僅有10～20mV。LDO的壓差為：
圖6. 超低壓差線性穩(wěn)壓器
由P溝道MOS管構(gòu)成的PMOS超低壓差線性穩(wěn)壓器(VLDO)，其壓差可降至 100mV左右。由 N溝道MOS管構(gòu)成的NMOS VLDO，其壓差可低至幾十毫伏。
下圖7中總結(jié)了各類(lèi)線性穩(wěn)壓器或LDO的電路結(jié)構(gòu)，標(biāo)注出了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)器件的壓降特性，可以一目了然的對(duì)比它們的差異。
圖7. 各類(lèi)線性穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)圖
總的來(lái)說(shuō)，三極管電流驅(qū)動(dòng)、MOS管電壓驅(qū)動(dòng)，三極管靜態(tài)損耗大，MOS管靜態(tài)損耗很小。雙極型管子由于其電流增益比較大，可以為負(fù)載提供相當(dāng)大的電流，MOS管提供的電流相對(duì)較小。NMOS的源極與負(fù)載并聯(lián)使得輸出端是一個(gè)低阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗比較小且受負(fù)載波動(dòng)的影響弱，輸出端上的極點(diǎn)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(gè)閾值電壓，一般情況0.7V。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(jì)升壓電路電荷泵來(lái)提高NMOS的G端電位，電路因此會(huì)變復(fù)雜。PMOS的漏極與負(fù)載并聯(lián)使得輸出端是一個(gè)高阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗大且受負(fù)載電阻影響。輸出會(huì)給系統(tǒng)引入一個(gè)位于低頻段的極點(diǎn)，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。
圖8. LDO調(diào)整原理
LDO正常工作在點(diǎn)P1，負(fù)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(diǎn)移動(dòng)到P2，反饋電壓降低，放大器輸出VG增大，VGS增大，ID增大，Vo增大，VDS減小，工作點(diǎn)移到P3，在大負(fù)載上達(dá)到新的平衡?？偟膩?lái)說(shuō)，與BUCK電路不同，LDO的調(diào)整管工作在線性區(qū)（放大區(qū)），其優(yōu)點(diǎn)包括：
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍器件少，使用方便
（2）無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，可應(yīng)用于要求高精度低噪聲的模擬電路中
但缺點(diǎn)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(fù)載電流小于1A情況下使用
以上這就是這一篇講述的內(nèi)容了，概括性的講述了從基本調(diào)整管穩(wěn)壓器到目前常見(jiàn)的各種類(lèi)型線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理。
