低壓差線性穩壓器(LDO)淺談關鍵字： LDO 基本原理 低壓差線性穩壓器
摘要：本文論述了低壓差線性穩壓器(LDO)的基本原理和主要參數，并介紹LDO的典型應用和國內發展概況。
引言
便攜電子設備不管是由交流市電經過整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內變化。比如單體鋰離子電池充足電時的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，變化范圍很大。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負載變化的影響。為了保證供電電壓穩定不變，幾乎所有的電子設備都采用穩壓器供電。小型精密電子設備還要求電源非常干凈（無紋波、無噪聲），以免影響電子設備正常工作。為了滿足精密電子設備的要求，應在電源的輸入端加入線性穩壓器，以保證電源電壓恒定和實現有源噪聲濾波[1]。
一．LDO的基本原理
低壓差線性穩壓器(LDO)的基本電路如圖1-1所示，該電路由串聯調整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。
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圖1-1 低壓差線性穩壓器基本電路 |
取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經放大器A放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續進行，調整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。
應當說明，實際的線性穩壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等，而且串聯調整管也可以采用MOSFET。
二．低壓差線性穩壓器的主要參數
1．輸出電壓(Output Voltage)
輸出電壓是低壓差線性穩壓器最重要的參數，也是電子設備設計者選用穩壓器時首先應考慮的參數。低壓差線性穩壓器有固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類型。固定輸出電壓穩壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經過廠家精密調整的，所以穩壓器精度很高。但是其設定的輸出電壓數值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應用要求，但是外接元件數值的變化將影響穩定精度。
2．最大輸出電流(Maximum Output Current)
用電設備的功率不同，要求穩壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩壓器組成的供電系統中，應根據各部分所需的電流值選擇適當的穩壓器。
3．輸入輸出電壓差(Dropout Voltage)
輸入輸出電壓差是低壓差線性穩壓器最重要的參數。在保證輸出電壓穩定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線性穩壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩定在5.0V。
4．接地電流(Ground Pin Current)
接地電路IGND是指串聯調整管輸出電流為零時，輸入電源提供的穩壓器工作電流。該電流有時也稱為靜態電流，但是采用PNP晶體管作串聯調整管元件時，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差穩壓器的接地電流很小。
5．負載調整率(Load Regulation)
負載調整率可以通過圖2-1和式2-1來定義，LDO的負載調整率越小，說明LDO抑制負載干擾的能力越強。
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圖2-1 Output Voltage&Output Current |
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(2-1) |
式中
△Vload—負載調整率
Imax—LDO最大輸出電流
Vt—輸出電流為Imax時，LDO的輸出電壓
Vo—輸出電流為0.1mA時，LDO的輸出電壓
△V—負載電流分別為0.1mA和Imax時的輸出電壓之差
6．線性調整率(Line Regulation)
線性調整率可以通過圖2-2和式2-2來定義，LDO的線性調整率越小，輸入電壓變化對輸出電壓影響越小，LDO的性能越好。
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圖2-2 Output Voltage&Input Voltage |
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(2-2) |
式中
△Vline—LDO線性調整率
Vo—LDO名義輸出電壓
Vmax—LDO最大輸入電壓
△V—LDO輸入Vo到Vmax'輸出電壓最大值和最小值之差
7．電源抑制比(PSSR)
LDO的輸入源往往許多干擾信號存在。PSRR反映了LDO對于這些干擾信號的抑制能力。
三．LDO的典型應用
低壓差線性穩壓器的典型應用如圖3-1所示。圖3-1(a)所示電路是一種最常見的AC/DC電源，交流電源電壓經變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經整流后變為直流電壓。在該電路中，低壓差線性穩壓器的作用是：在交流電源電壓或負載變化時穩定輸出電壓，抑制紋波電壓，消除電源產生的交流噪聲。
各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內變化。為了保證蓄電池組輸出恒定電壓，通常都應當在電池組輸出端接入低壓差線性穩壓器，如圖3-1(b)所示。低壓差線性穩壓器的功率較低，因此可以延長蓄電池的使用壽命。同時，由于低壓差線性穩壓器的輸出電壓與輸入電壓接近，因此在蓄電池接近放電完畢時，仍可保證輸出電壓穩定。
眾所周知，開關性穩壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時，將產生較大的影響。在開關性穩壓器輸出端接入低壓差線性穩壓器，如圖2-3(c)所示，就可以實現有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩壓精度，同時電源系統的效率也不會明顯降低。
在某些應用中，比如無線電通信設備通常只有一足電池供電，但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只穩壓器供電。為了節省共電池的電量，通常設備不工作時，都希望低壓差線性穩壓器工作于睡眠狀態。為此，要求線性穩壓器具有使能控制端。有單組蓄電池供電的多路輸出且具有通斷控制功能的供電系統如圖3-1(d)所示。
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圖3-1 低壓差線性穩壓器(LDO)典型應用 |
四．國內LDO發展概況
中國集成電路(IC)產業經過40余年的發展，已經形成了一個良好的產業基礎，并已經進入了一個加速發展的新階段[2]。借鑒國外先進技術，充分利用國內優惠政策，是當前國內各個IC公司發展的立足點。
作為被廣泛應用于手機、DVD、數碼相機以及Mp3等多種消費類電子產品中的穩壓芯片，LDO已引起人們的高度重視。國內早期從事LDO生產的圣邦微電子有限公司生產的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO，足以滿足當前市場上主流電壓、電流的需要；它的SG2004、SG2011以及SG2012系列產品，非常適合于大電流負載應用；而它的SGM2007/2006/2005系列RFLDO更適用于手機電源的應用。盡管是國產芯片，但這些芯片的性能絲毫不遜色于國外同類產品，而價格更適合于當前國內市場。
由此看來，國內與國外IC發展的差距將不會越來越大，每個國人都可以相信，中國不僅可以成為IC產業的新興地區，更能成為世界IC強國。
參考文獻
1．王國華，王鴻麟，羊彥等.便攜電子設備電源管理技術.西安電子科技大學出版社.2004,1
2．藺建文.正在崛起的中國集成電路產業.國家集成電路設計西安產業化基地.2002
作者：曹會賓
