LDO的选用原则

本文介绍了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理及选用原则，并将其应用于开关电源设计之中。这种设计方案简化了开关电源的多路输出设计，减小了负载调整率，有效地抑制了电磁干扰(EMI)，并加强了开关电源的过流保护功能。

电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类，由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流产品。本文介绍一种应用低压差线性稳压器(LDO)优化开关电源的设计方案，并对该方案的可行性通过实验加以验证。

LDO的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1所示，该电路由串联调整管V_T、取样电阻R₁和R₂、比较放大器A组成。

图1：低压差线性稳压器基本电路。

取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压U_ref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压U_out降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压U_out超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

应当说明的是，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。

LDO的选用原则

1. 输入输出电压差

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，线性稳压器的性能越好。比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V，就能使输出电压稳定在5.0V。

2. 最大输出电流

用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需要的电流值选择适当的稳压器。

3. 负载调整率

负载调整率是众多电源设备一个非常重要的参数，它反映了电源抑制负载干扰的能力，负载调整率越低，输出负载对输出电压的影响越小，LDO的品质就越好。

4. 接地电流

接地电流I_GND是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流，但是采用PNP晶体管作串联调整元件时，这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差线性稳压器的接地电流很小。

　

图2：LDO应用于开关电源原理。

5. 输出电容器

典型LDO需要增加外部输入和输出电容器。利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高电源抑制比(PSRR)、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。输出电容器的等效串联电阻(ESR)会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为10 mΩ量级，而钽电容器ESR在100 mΩ量级。另外，许多钽电容器的ESR随温度变化很大，会对LDO性能产生不利影响。电容的具体应用需要咨询LDO厂商以确保正确实施。

6. 封装

选择LDO产品时应考虑LDO的散热，负载大的LDO应尽可能选择大封装，这样有利于LDO性能稳定。

LDO应用于开关电源设计

遵循以上原则，本文选择哈尔滨圣邦微电子有限公司生产的SG2002和SG2012系列LDO。

应用LDO于开关电源的电路如图2所示，图中虚线部分是开关电源通常采用的电

路，它可以给LDO提供+6V/1.5A的输出电压/电流。该电源应用SG2002-5.0XN5/TR、SG2012-3.3XKC3/TR、SG2012-2.5XKC3/TR以及SG2012-1.8XKC3/TR分别生成+5.0V/0.3A、3.3/0.4A、2.5V/0.4A以及1.8V/0.4A电压/电流。图中LDO芯片的输入端和输出端接有1uF的瓷片电容，以此提高LDO的稳定性。在每个LDO的BP端接上一个0.01uF的瓷片电容，可以有效地降低LDO的输出噪声。

LDO在开关电源中的作用

1. 简化开关电源设计

开关电源多路输出一般通过增加高频变压器反馈端来实现，这使得开关电源在设计过程中增加了设计者的工作量。应用LDO作为开关电源的输出终端，可以极大地简化开关电源的设计，缩短开发周期。

2. 提高开关电源的负载调整率

LDO是来稳定电源电压的专用芯片，目前有很多公司设计的LDO的负载调整率非常小。应用LDO可以大幅度地降低开关电源负载调整率。

3. 有效滤除开关电源电磁干扰，减小纹波输出

开关电源的突出缺点是产生较强的EMI。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。LDO有较高的电源抑制比，且LDO是低噪声器件，因此应用LDO可以有效地滤除开关电源EMI，减小纹波输出。

4．为开关电源提供过流保护

尽管许多PWM控制芯片本身具有过流保护功能，但LDO的过流保护功能可以提升开关电源的安全系数。

试验分析

图3：开关电源负载调整率测试电路

下面通过以下两个实验来验证该方案的可行性：

1．测量负载调整率

实验电路如图3所示。由电子负载依次拉出0mA到400mA的电流，在每个负载点记录下开关电源的输出电压。测试数据经过处理，可以得出图4所示的图表。该图充分说明，LDO优秀的负载调整率已经被完全移植到开关电源上。换言之，LDO极大地提高了开关电源的负载调整率。

2．输出纹波的测量

分别在开关电源的LDO输入端和输出端接上示波器，可以得出图5所示的波形。其中Ch¹是LDO入口处的输出波形，而Ch²是LDO出口处的输出波形，即开关电源的最终输出波形。

由上图可以看出，LDO有效地滤除了开关电源EMI信号，相对于搭建常规EMI过滤器来讲，应用LDO更简单可靠。

便携应用在基本条件之外提出更多要求

在选择低压降线性调节器(LDO) 时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。但是，便携式应用需要考虑更多问题。接地电流或静态电流 （IGND 或 I_Q）、电源波纹抑止比 (PSRR)、噪声与封装大小通常是为便携式应用决定最佳 LDO 选择的要素。

输入、输出以及降低电压
选择输入电压范围可以适应电源的LDO。下表列出了便携式设备所采用的、流行的电池化学物质的电压范围。

在确定 LDO 是否能够提供预期输出电压时，需要考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即 VIN > VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的电压以下，则我们说 LDO 出现"压降"，输出等于输入减去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以负载电流。

需要注意压降时的性能变化。驱动旁路晶体管的误差放大器完全打开或者出于"待发状态"(cocked)，因此不产生任何环路增益。这意味着线路与负载调节很差。另外，PSRR 在压降时也会显著降低。

选用可提供预期输出电压的 LOD 作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项，外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。利用可调 LDO 可以设置输出，以提供内部参考电压，其一般为 1.2V 左右，只需把输出连接到反馈引脚。请与厂商确认是否具备该功能。

负载电流要求
通考虑负载需要的电流量并据此选择 LDO。请注意：额定电流为比如 150mA 的 LDO 可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范，或者咨询有关厂商。

电池电压

电池的化学成分	电压范围
锂离子/锂聚合物	2.7～4.2V（额定3.6V）
NiMH/NiCd	0.9～1.5V（额定1.2V）
AA/AAA	0.9～1.5V（额定1.5V）

封装与功耗
便携式应用本质存在空间限制，因此解决方案的大小至关重要。裸片可以最小化尺寸但是缺乏封装的诸多优势，如：保护、行业标准以及能够被现有装配架构轻松采用等特性。芯片级封装 (CSP) 能在提供裸片的尺寸优势的同时还可以带来封装的许多优势。

在无线手持终端市场需求的推动下，CSP产品正不断推陈出新。例如，采用0.84 x 1.348-mm CSP的德州仪器 (TI) 200mA RF LDO（参见图1）预计将于9月份上市，其采用可实现轻松装配以及高板级可靠性的技术。

其他小型封装包括流行的3x3mm SOT-23、小型2.13x2.3mm SC-70以及亚1毫米高度封装 (sub-1-mm-height package)、ThinSOT及无引线四方扁平封装 (QFN)。由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫，QFN 因而可提供更好的散热特性。

请注意不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用P_DISSIPATION = (V_IN-V_OUT)/(I_OUT + I_Q) 进行计算。一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。但是QFN封装可以提供极佳的散热性能，这种性能完全可与尺寸是其1.5～2倍的众多封装相媲美。

LDO拓扑与I_Q
为了最大化电池的运行时间，需要选择相对于负载电流来说静态电流I_Q较低的LDO。例如，考虑到I_Q 只增加0.02％的微不足道的电池消耗，在100mA负载情况下，一般采用200μA的I_Q比较合理。

另外，还需要注意的是，由于电池放电特性，某些情况下压降会对电池寿命产生决定性影响。由于碱性电池放电速度较慢，其电源电压在压降情况下可以提供比NiMH电池更多的容量。必须在 I_Q 和压降之间仔细权衡，以便在电池寿命期间获得最大的容量，因此，较低的I_Q并不能始终保证长电池寿命。

需要注意I_Q 在双极拓扑中的表现。I_Q 不但随负载电流变化很大，而且在压降情况下会有所增加。

另外，需要注意在数据表中对I_Q 是如何规定的。某些器件是在室温条件下规定的，或者只提供显示I_Q与温度关系的典型曲线。尽管这些情况有用，但是并不能保证最大的静态电流。如果I_Q 比较重要，则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证I_Q 的器件，并且需要选择MOS类旁路器件。

输出电容器
典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。请注意，利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。请注意，输出电容器的等效串联电阻 (ESR) 会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为10豪欧量级，而钽电容器ESR在100豪欧量级。另外，许多钽电容器的ESR随温度变化很大，会对LDO性能产生不利影响。如果温度变化不大，而且电容器和接地之间串联适当的电阻（一般200m），可以取代陶瓷电容器而使用钽电容器。需要咨询LDO厂商以确保正确的实施。

RF与音频应用
最后，考虑便携式应用中所采用的、专用电路的功率要求。

RF电路（包括LNA（低噪声放大器）、升压/降压转换器、混频器、PLL、VCO、IF放大器和功率放大器），需要采用具有低噪声和高PSRR的LDO。在设计现代收发系统时应非常小心，以保证低噪声和高线性。

电源噪声会增加VCO的相位噪声，而且会进入接收或发送放大器。在W-CDMA等流行手机技术对频谱再生和邻道功率提出严格要求的情况下，进入放大器的基/栅或收集器/漏极电源的极少量电源噪声就会产生邻道噪声或假信号。

为了满足手机、MP3、游戏以及多媒体PDA应用等便携式设备中的音频需求，可能需要300～500mA的LDO。而且，为了获得良好的音频质量，这种LDO在音频频率（20Hz~20kHz）时应该是低噪声并可提供高PSRR。

线性稳压器件补偿和波特图分析

一个包含三个极点和一个零点的波特图将用来分析增益和相位裕度。假设直流增益为80dB，第一个极点发生在100Hz处。在此频率时，增益曲线的斜度变为－20dB/十倍频程。1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程，到10kHz处增益曲线又变成－20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为－40dB/十倍频程。

     也可以看到单位增益点（0dB）交点频率是1MHz。0dB频率通常称为回路带宽（loop bandwidth）。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。根据分布的零极点计算相移的总和。在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：

    极点相移＝ －arctan(f/fp)

在任意频率（f）上的零点相移，可以通过下式计算获得：

    零点相移＝ －arctan(f/fz)

此回路稳定么？为了回答这个问题，我们只需要知道0dB时的相移（是1MHz）。根本无需复杂的计算。

     前两个极点和第一个零点分布使相位从－180°变到＋90°，最终导致网络相位转变到－90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点。使用零点相移公式，该极点产生了－84°的相移（在1MHz时）。加上原来的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是说相位裕度是6°）。该回路可能引起振荡。

 NPN 稳压器补偿

NPN 稳压器的导通管的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗。也就意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于NPN稳压器没有固有的低频极点，所以它使用了一种称为主极点补偿（dominant pole compensation）的技术。此时，在IC的内部集成了一个电容，该电容在环路增益的低频端添加了一个极点。

 NPN稳压器的主极点（P1）一般设置在100Hz处。100Hz处的极点将增益减小为－20dB/十倍频程直到3MHz处的第二个极点（P2）。在P2处，增益曲线的斜率又增加了－20dB/十倍频程。P2点的频率主要取决于NPN功率管及相关驱动电路，因此有时称此点为功率极点（power pole）。因为P2点在回路增益为－10dB处出现，也就表示了0dB频率处（1MHz）的相位偏移会很小。

     为了确定稳定性，只需要计算0dB频率处的相位裕度：

    第一个极点（P1）会产生－90°的相位偏移，但是第二个极点（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz处）。也就是说0dB点处的相位偏移为－108°，相位裕度为72°（非常稳定）。应该提起注意的是，回路很显然是稳定的。因为需要两个极点才有可能使回路要达到－180°的相位偏移（不稳定点），而P2又分布在高频位置，它在0dB处的相位偏移就很小了。

 LDO 稳压器的补偿

    LDO稳压器中的PNP导通管的接法为共射方式（common emitter）。它相对共集电极方式有更高的输出阻抗。由于负载阻抗和输出容抗的影响在低频程处会出现低频极点（low－frequency pole）。此极点（称为负载极点（load pole）用Pl表示）的频率由下式获得：

F(Pl) ＝1/(2π×Rload×Cout)。从此式可知，不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。

 为了解释为什么会这样，先假设一个5V/50mA的LDO稳压器有下面的条件：

在最大负载电流时，负载极点（Pl）出现的频率为：

Pl＝1/(2π×Rload×Cout)＝1/(2π×100×10-5)＝160Hz

假设内部的补偿在1kHz处添加了一个极点。由于PNP功率管和驱动电路的存在，在500kHz处会出现一个功率极点（Ppwr）。

假设直流增益为80dB。Rl ＝100Ω（在最大负载电流时的值），Cout＝10uF。

      可以看出回路是不稳定的：极点PL和P1每个都会产生－90°的相移。在0dB处（此例为40kHz），相移达到了－180°为了减少负相移（阻止振荡），在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生＋90°的相移，它会抵消两个低频极点的部分影响。基本上所有的LDO稳压器都需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容的一个特性：等效串联电阻（ESR）获得的。

 使用ESR补偿LDO

等效串联电阻（ESR）是每个电容共有的特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联。输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，可以用来减少负相移。零点出现的频率值与ESR和输出电容值直接相关：Fzero＝ 1/(2π×Cout×ESR)。使用上一节的例子，我们假设输出电容值Cout＝10uF而且输出电容的ESR＝1Ω。则零点发生在16kHz。

   添加此零点如何使不稳定系统变为稳定系统：

      回路的带宽增加了所以0dB的交点频率从30kHz移到了100kHz。到100kHz处该零点总共增加了＋81°相移。也就是减少了PL和P1造成的负相移。因为极点Ppwr处在500kHz，在100kHz处它仅增加了－11°的相移。累积所有的零、极点，0dB处的总相移现在为－110°。也就是有＋70°的相位裕度，系统非常稳定。这也就解释了具有正确ESR值的输出电容是可以产生零点来稳定LDO系统的