| 低壓差穩壓器（通常稱為LDO）廣泛用于許多行業的各類電子應用。一般認為，LDO是調節和控制由較高輸入電壓電源提供的輸出電壓的一種簡單而便宜的方法。但是，成本和簡單性并非其得到廣泛使用的唯一原因。事實上，如今的系統隨著每種新設計的出現而變得越來越復雜、對噪聲的反應更加敏感并且更加耗電。各種功率水平的開關電源的廣泛使用，意味著設計工程師必須花更多時間考慮如何避免噪聲耦合和干擾，同時還要提高系統效率，所以成本和簡單性不是唯一的推動因素。
對大多數應用而言，產品數據表的基本參數的規格明白易懂。遺憾的是，產品數據表并不會列出針對每種可能的電路條件的參數。因此，若要發揮LDO的最大優勢，就必須理解主要性能參數及其對既定負載的影響。設計工程師需要通過嚴密分析周圍電路條件，來確定LDO是否適合特定負載。
本文分析了LDO的主要性能參數，以及它們對于向電子系統中的各種器件提供干凈的輸出電壓的影響，另外還將討論設計工程師在優化系統時（特別是在電流水平較高時）必須考慮的因素。
如何在應用中使用LDO
在大多數應用中，LDO主要用于將靈敏的負載與有噪聲的電源相隔離。與開關穩壓器不同，線性穩壓器會在通路晶體管或MOSFET（用來調節和保持輸出電壓來達到所需的精度）中造成功率耗散。因此，就效率而言，LDO的功率耗散會是一個顯著劣勢，并可能導致熱問題。所以，設計工程師需要通過盡可能降低LDO功率耗散，來提升系統效率和避免熱復雜性，這一點很重要。
LDO是用于電壓調節的最老和最常用器件；然而，其許多主要性能參數并未得到人們的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。盡管成本是一項非常重要的因素，但推動LDO使用的主要因素是系統的功率要求和受電負載可接受的噪聲水平。LDO還可用于降噪，以及修復由電磁干擾（EMI）和印刷電路板（PCB）布線造成的問題。
對于電流消耗非常低的負載，LDO的功率耗散非常小，所以由于其簡單、成本低和易用性而成為必然之選。但是，對于電流消耗大于500mA的負載，其他因素變得更重要，有時甚至很關鍵。在這類應用中，系統工程師應當對那些在較高電流水平條件下重要性會提升的性能參數多加考慮，如壓差、負載調節和瞬態性能。
LDO是線性穩壓器的一種，所以人們常常拿它與傳統線性穩壓器相比，特別是在成本方面。很重要的一點是要理解通路元件是LDO的核心，且該核心及其周圍電路對LDO的性能具有決定性影響。
LDO內部
LDO包含三個基本功能元件：一個參考電壓、一個通路元件和一個誤差信號放大器，如圖1所示。正常工作期間，通路元件充當電壓控制器電流源。通路元件由來自誤差信號放大器的補償控制信號驅動，誤差信號放大器可感測輸出電壓并將其與參考電壓進行比較。所有這些功能塊都會影響LDO的性能。LDO生產商的產品數據表始終包括相應規格，用以說明這些功能元件的性能。
圖1：LDO框圖。
從圖2可以看出，LDO穩壓器設計中通常有四種不同的通路元件：基于NPN型晶體管的穩壓器、基于PNP型晶體管的穩壓器、N通道基于MOSFET的穩壓器和P通道基于MOSFET的穩壓器。
圖2：LDO穩壓器中使用的四種不同的晶體管。
通常，基于晶體管的穩壓器比基于MOSFET的穩壓器具有更高的壓差。另外，基于晶體管的穩壓器的晶體管通路元件的基極驅動電流與輸出電流成比例。這會直接影響基于晶體管的穩壓器的靜態電流。相比之下，MOSFET通路元件使用隔離柵極驅動的電壓，使其靜態電流顯著低于基于晶體管的穩壓器。
壓差
壓差是指在進一步減小輸入電壓會造成輸出電壓失穩時的輸入電壓與輸出電壓之差。在壓差條件中，通路元件在線性區工作，相當于一個電阻。對于現在的LDO，通路元件通常采用PMOS或NMOS FET來實現，這可實現低至30mV到500mV的壓差。圖3顯示了使用PMOS FET作為通路元件的ISL80510 LDO的壓差。
圖3：ISL80510壓差。
負載調整率
負載調整率是指在給定負載變化下的輸出電壓變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載，對應的負載調整率如方程式1所示：
負載調整率體現了通路元件的性能和穩壓器的閉環DC增益。閉環DC增益越高，負載調整率越好。
線性調整率
線性調整率是指在給定輸入電壓變化下的輸出電壓變化，如方程式2所示：
由于線性調整率還取決于通路元件的性能和閉環DC增益，在考慮線性調整率時常常不包括壓差操作。因此，線性調整率的最小輸入電壓必須高于壓差。
電源抑制比（PSRR）
PSRR表示LDO抑制由輸入電壓造成的輸出電壓波動的能力，如方程式3所示。線性調整率只有在直流電時才需要考慮，但PSRR必須在寬頻率范圍上考慮。
考慮傳統的閉環系統，小信號輸出電壓V ?_out可由方程式4表示：
其中V ?_in是小信號輸入電壓，G_vg是從輸入到輸出電壓的開環傳遞函數，k_v是輸出電壓感測增益，G_C是補償器的傳遞函數，G_oc是從控制信號到輸出電壓的開環傳遞函數，k_v×G_C×G_oc是閉環傳遞函數T(s)。
從式3和式4可以看出，很顯然PSRR由閉環增益T(s)和從輸入到輸出電壓的開環傳遞函數的倒數〖1/G〗_vg組成，如圖4所示。閉環傳遞函數在較低頻率下占支配地位，從輸入到輸出電壓的開環傳遞函數在較高頻率下占支配地位。
圖4：PSRR vs. 頻率。
噪聲
該參數通常是指LDO本身在輸出電壓上產生的噪聲，是帶隙電壓參考的內在特征。式4顯示了參考電壓與輸出電壓的關系。遺憾的是，閉環傳遞函數對于抑制從參考電壓到輸出電壓的噪聲效果不大。因此，大多數低噪聲LDO都需要一個額外濾波器來防止噪聲進入閉環。
瞬態響應
LDO普遍用于負載點調節比較重要的應用中，例如為數字IC、DSP、FPGA 和低功率 CPU供電。此類應用中的負載有多種工作模式，需要不同的供電電流。因此，LDO必須快速響應，以使供電電壓保持在要求的限制范圍之內。這使LDO的瞬態行為成為關鍵性能參數之一（圖5）。
如同在所有閉環系統中一樣，瞬態響應主要取決于閉環傳遞函數的帶寬。要想實現最佳瞬態響應，閉環回路帶寬必須盡可能高，同時還要確保有足夠相位余量，以保持穩定性。
圖5：ISL80510瞬態響應（2.2Vin, 1.8Vout）。
靜態電流
LDO的靜態電流（或接地電流）是通路元件的偏流和驅動電流的組合，通常保持盡可能低的水平。另外，當PMOS或NMOS FET用作通路元件時，靜態電流相對來說不太受負載電流的影響。因為靜態電流不會流向輸出，所以它會影響LDO的效率，如方程式5所示：
LDO內部的功率耗散定義為：
要想優化LDO的效率，必須將靜態電流以及輸入電壓與輸出電壓之差降到最低。輸入電壓與輸出電壓之差對效率和功率耗散有直接影響，所以一般選擇最低壓差。
盡管LDO不能像開關模式電源（SMPS）那樣提供較高的效率轉換，但它對于很多現在的電路來說依然是必不可少的穩壓器。在對噪聲敏感的應用中，使SMPS實現必要的輸出紋波來滿足嚴格的噪聲規格要求非常具有挑戰性。因此，對SMPS的輸出添加一個LDO作為有源濾波器的情況并不少見。該LDO在SMPS開關頻率下必須具備較高的PSRR。
LDO特別適用于那些需要將輸出電壓調整到略低于輸入電壓的應用。雖然降壓和升壓轉換器對最大/最小占空比有限制，但若其輸入電壓接近輸出電壓，則會導致輸出電壓失穩。
結束語
盡管概念和實現都比較簡單，但得到廣泛使用的LDO在系統電源設計中肩負著至關重要的功能。進行設計優化時需要考慮許多因素，特別是在電流水平較大的情況下。對于中到高電流應用，Intersil的ISL80510/05對所有主要LDO性能參數都能提供均衡的性能，包括低壓差、瞬態性能、電壓精度以及寬頻率范圍內接近平坦的PSRR響應。 |
