電壓轉換中的LDO

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在電壓轉換中，LDO和DCDC是經常用到的兩種方式。眾所周知DCDC轉換器的優點在于效率高，電流輸出大，靜態電流小。相比較于DCDC轉換器，LDO是一種壓降更低、噪聲更低、成本也更低的器件。

傳統的線性穩壓器輸出電壓條件很嚴苛，這才有了LDO類的電壓轉換器件的誕生。壓降太大，消耗在線性穩壓器上的能量會增加不少，這時候就很容易影響效率。LDO可以看作低壓差加線性加穩壓器。



LDO中的Dropout

從LDO的命名（low-dropout regulator）就可以看出，這種器件最典型的特征就是dropout。按最基本的說法，dropout描述了適當調節所需的VIN和VOUT之間的最小值。Dropout電壓也就是指輸入電壓VIN必須保持在所需輸出電壓VOUT以上的最小電壓差。LDO可以在輸入電壓降低時持續保持輸出電壓不變，直到輸入電壓逼近輸出電壓加上這個壓差。

我們知道DCDC的效率普遍是高于LDO的，其實如果輸入電壓和輸出電壓很接近，那么LDO穩壓器也能達到很高的效率，也就是壓差足夠小的情況下，LDO效率也不會很低。但如果并不接近，壓差太大，消耗在LDO上的能量會增加不少，既會增加器件功耗又會影響效率。很多因素都會影響這個壓差，比如負載電流和結點溫度，但從根本看，這個壓差本質上是由LDO的體系架構決定——PMOS LDO架構和NMOS LDO架構。

PMOS LDO架構在較高的輸出電壓下將具有較低的壓差，NMOS LDO架構在低輸出電壓下實現較低的壓差。二者相較來說PMOS架構會更常見一些，因此LDO一般不會走大電流，小電流場景PMOS LDO架構更適合，在大電流場景NMOS LDO架構更適合。

相輔相成的LDO與電容

LDO需要的外接元件不多，一到兩個旁路電容即可，相比于DCDC需要外接的電感、二極管、電容這些算得上是非常簡單了。雖然簡單，但是電容卻十分重要，它與LDO相輔相成，合適的電容選擇才能讓LDO穩定地正常工作。

電容的制成材料有很多種，每種不同材料的電容在應用時都會有各自的優缺點，通常來說，陶瓷電容都會是不錯的選擇，陶瓷電容的變化最小，而且成本也很低。電容值的變化會直接影響LDO控制環路的穩定性，增加電路的不可預測行為。標注的電容值可能和實際它能提供的電容天差地別，可能是因為直流電壓偏差導致，可能是溫度導致，因此選擇合適的電容是LDO關鍵中的關鍵。

電容器的動態特性導致其在沒有外加電場的情況下可能會發生一些自發極化，這使電容具有初始電容?？梢詫﹄娙萜魇┘油獠恐绷麟妷?，產生一個電場逆轉初始極化，直流偏置特性不佳的電介質就不適合與LDO一起使用。溫度上按照電容器指定的溫度等級劃分，大部分LDO結溫在-40℃到125℃，在這個溫度范圍，X5R或X7R電容是比較合適的。LDO可以與很多這種小型陶瓷電容配合使用，前提這些電容的寄生等效串聯電阻足夠低。

LDO的低噪聲

LDO的優缺點都非常明顯，只能實現降壓，而且因為效率，發熱，最小壓差等因素其應用場合進一步受限。但在敏感的模擬電路中，往往需要稍微犧牲效率來保證電源在更低噪聲下的純凈。當然LDO作為電子器件也會有噪聲，噪聲來源分為內部噪聲與外部噪聲。

外部噪聲的抑制能力PSRR在LDO的數據表中都會詳細標注出來，和LDO的整體設計相關。想進一步提高外部噪聲抑制也可以通過額外增加濾波等手段來實現。內部噪聲集中在噪聲頻譜的低側，這種噪聲主要來自內部參考電壓，也有可能來自誤差放大器、場效應晶體管和電阻分壓器。大多數LDO內部噪聲的抑制能力并不像PSRR會在器件的參數上標注出來，要降低內部噪聲可以在帶隙基準源和誤差放大器之間加用于降噪的電容實現低通濾波，過濾內部電壓噪聲，也可以在反饋電阻上增加前饋電容，二者效果類似。很少會選擇降低誤差放大器帶寬來抑制內部噪聲，這會降低器件的動態性能。

在模擬電路中，LDO抑制噪聲的能力非常重要，抑制來自上游電源和下游負載的噪聲的同時自身不給電路增加噪聲。

小結

熱性能對LDO性能的提升也不小，LDO 的本質是通過將多余的功率轉化為熱量來調節電壓，從而使該集成電路非常適合低功耗或壓差值較小的應用。想更大限度地提高LDO的性能可以從合適封裝著手提高器件的熱性能。