低壓差線(xiàn)性穩壓器LDO的穩壓特性及穩壓過(guò)程概述

低壓差線(xiàn)性穩壓器（Low dropout regulator），通常簡(jiǎn)稱(chēng)為“LDO”，是一種線(xiàn)性穩壓器，它通過(guò)內部負反饋自動(dòng)調節晶體管或場(chǎng)效應管（FET）在線(xiàn)性區域所占用的電壓，從輸入電壓中獲取穩定的輸出降額電壓。

下圖為L(cháng)DO典型應用電路圖

輸入電壓Vi施加到LDO芯片輸入后，被降壓成輸出電壓VO驅動(dòng)負載（電燈泡），這里的輸出電壓VO（Output Voltage） 是LDO的一個(gè)重要參數，一般工程師在進(jìn)行選型時(shí)首先考慮的就是輸出電壓。

LDO有固定輸出電壓（Fixed）和可調輸出電壓（Adjustable）兩種。固定輸出電壓LDO使用比較方便，經(jīng)過(guò)廠(chǎng)家精密調整后的輸出電壓精度很高，但是其設定的輸出電壓數值均為常用電壓值（如1.2V、 2.5V、3.3V、5V等），不可能滿(mǎn)足所有的應用場(chǎng)合要求，這時(shí)可以使用可調輸出電壓類(lèi)型的LDO，只需要調整外接元件數值即可在一定范圍內進(jìn)行輸出電壓的調整。

有人可能會(huì )說(shuō)了：什么爛編劇，不就是個(gè)降壓嘛，我用電阻分壓不是一樣的？我要退票！

下面我們詳細講解LDO的穩壓特性，這是普通電阻分壓所不能提供的。LDO的基本原理與通用串聯(lián)型穩壓電路是一致的，其基本結構如下圖所示：

其中，三極管Q1為電壓調整管，電阻R3、R4及可調電阻RP1用來(lái)對輸出電壓VO進(jìn)行電壓采樣，D1為穩壓二極管，與電阻R2配合為三極管Q2的發(fā)射極提供穩定的 參考電****位VREF（Reference Voltage） ，三極管Q2用來(lái)對參考電壓與采集到的輸出電壓進(jìn)行比較，R2為Q1與Q2提供靜態(tài)偏置電壓。

當電路還沒(méi)有施加輸入電壓時(shí)，三極管Q1與Q2均處于截止狀態(tài)，此時(shí)夜靜闌珊，萬(wàn)籟俱寂。

如果對該電路施加輸入電壓V i （暫時(shí)還沒(méi)有接負載）時(shí)，輸入電壓Vi經(jīng)電阻R1、三極管Q1的發(fā)射結V BE1 、R2、D1（或R3、R4、RP1）為三極管Q1提供基極電流，由于三極管Q1的集電極電位最高，基極電位次之、發(fā)射極電位最低，三極管處于放大狀態(tài)，如下圖所示：

此時(shí)此刻，上圖的等效電路如下所示：

可以看到，這個(gè)電路就是一個(gè)共集電極放大電路，其中的電阻RX表示R2、R3、R4、RP1、D1等效的總電阻，此時(shí)三極管Q1處于放大狀態(tài)，輸出VO也有一定的電壓，但電路還沒(méi)有穩壓能力。

下一刻，三極管基極電壓VB2由電阻R3、R4、RP1分壓獲取，如下式：

三極管發(fā)射極電位VE2是VO通過(guò)R2、D1穩壓電路獲取的恒定參考電壓V Z ，通常這個(gè)參考電壓稍大于1V，而三極管的集電極電位VC2由Vi通過(guò)R2提供，很明顯，三極管Q2的三個(gè)極電位V C >V B >V E ，集電結反偏，發(fā)射極正偏，三極管Q2處于放大狀態(tài)。

三極管Q2將基極電流IB2放大后，產(chǎn)生集電極電流IC2并將其集電極電位VC2拉下來(lái)，繼而使三極管Q1的基極-發(fā)射極電壓VBE1下降，引起IB1與IC1相繼下降，集電極-發(fā)射極電壓VCE1升高，輸出電壓VO會(huì )比三極管Q2沒(méi)有接入時(shí)會(huì )下降一些，三極管Q2接入后電路形成負反饋并達到穩態(tài)。

此時(shí)電路中雖然還沒(méi)有接負載，但放大電路回路已經(jīng)形成，因此必然會(huì )有一定的電流，稱(chēng)為 靜態(tài)電流（Quiescent Current） ，也有些規格書(shū)稱(chēng)之為 接地電流（Ground Pin Current） ，這個(gè)電流要求越小越好。

有些LDO芯片（特別是低電壓輸出的）必須外接負載才有正確的電壓輸出，它需要一定的負載電流才能維持內部正常的調整行為，這個(gè)電流的最小值稱(chēng)為 最小負載電流（Minimum Load Current）

下面我們將電路接上負載（電燈泡），看看情況會(huì )有什么不一樣，如下圖所示：

由于負載肯定會(huì )有一定的電阻值（通常比等效電阻RX小多了），當負載如上圖所示接到電路中時(shí)，相當于等效電阻RX與RL并聯(lián)，相當于Q1集電極對地的電阻下降了，由于此時(shí)回路電流I還沒(méi)有變化，根據歐姆定律V=R×I，則輸出VO勢必會(huì )下降。

電阻R3、R4、RP1是對輸出電壓VO進(jìn)行分壓采集，因此三極管Q2的基極電位VB2電位相應也會(huì )下降，而Q2的發(fā)射極因為D1、R2提供穩定的參考電位V Z ，則有V BE2 =V B2 -VZ下降，繼而導致Q2的基極電流IB2與集電極電流IC2相繼下降。

三極管Q2的集電極電流IC2下降將導致Q2集電極電位VC2上升，則有Q1的發(fā)射結電壓V BE1 =V B1 -V E1 =V C2 -V E1 =V C2 -VO上升（記住前提條件，輸出電壓VO是下降的），其基極電流IB1與集電極電流Ic1亦相繼上升，從而導致VCE1下降。

輸入Vi是一直恒定不變的，因此有輸出電壓V O =V i -VCE1上升

可以看到，電路剛剛接入負載的一瞬間，輸出電壓是下降的，但是經(jīng)過(guò)一系列比較反饋調整后，輸出電壓又上升了，亦即輸出電壓回升到?jīng)]有接入負載時(shí)的電壓，也就是說(shuō)，不管有沒(méi)有接入負載，輸出電壓都可以穩定到同一個(gè)數值。

這個(gè)穩壓的過(guò)程可以如下所示：

事實(shí)上，這里的三極管Q1就相當于可調電阻R Q1 ，負載電燈泡就相當于電阻R L ，如下圖所示：

當負載重了（即RL阻值變?。?，輸出電壓VO下降了，為了維持與之前相同的輸出電壓，就把可調電阻值RQ1下降一些，這樣按電阻分壓原理，輸出電壓VO就上升了（只是電流增大了），上升量抵消了下降量，輸出電壓VO保持不變

相反，就把可調電阻RQ1上升一些，這與剛剛那位退票離場(chǎng)的同仁所述是一致的。

三極管Q1的集電極-發(fā)射極電壓VCE1就是LDO的壓降VD（Dropout Voltage） ，這個(gè)電壓會(huì )在三極管上產(chǎn)生熱量，流過(guò)三極管Q1（即負載電流）的電流越大，則由P=V×I公式可知（電流I越大），在三極管消耗的功率越大，從而導致三極管發(fā)熱，因此一般Q1采用的都是功率管。

這個(gè)壓差VD自然是越小越好，對于給定的LDO都有一個(gè)VD值，在實(shí)際使用時(shí)，輸入電壓Vi與輸出電壓Vo的差值一定要大于這個(gè)VD值，否則LDO將無(wú)法正常維持內部調節行為而無(wú)法實(shí)現穩壓功能。

同樣，如果外加的輸入電壓Vi太大，則由P=V×I公式可知（電壓V越大），也會(huì )導致三極管消耗功率增大，從而引起三極管發(fā)熱，這也會(huì )極大的影響LDO的電源轉換效率，如下圖所示：

LDO的輸入輸出電流接近一致的，因此計算LDO的效率只需知道輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的比值即可，對于同樣的輸出電壓3.3V，當輸入電壓為5V時(shí)，LDO的效率約為66%，而當輸入電壓為9V時(shí)，LDO的效率就降到約36%了，大部分的輸入能源都被消耗到了LDO本體上，這是低功耗應用所不允許的。

當然，負載電流不能一直升高到無(wú)限大（即負載電阻不可能無(wú)限小，否則電路將帶不動(dòng)，這跟小馬拉大車(chē)的道理是一樣的），當負載電流高到一定值時(shí)，三極管Q1由于電流太大而發(fā)熱，最終導致三極管損壞，此時(shí)的電流稱(chēng)為最大負載電流ILIMIT（Current Limit）

我們說(shuō)穩壓電路可以對負載引起的輸出電壓變化進(jìn)行穩壓，那么用什么參數來(lái)衡量呢？通常我們用負載調整率ΔLoad（Load Regulation）參數來(lái)衡量這個(gè)性能，如下圖所示：

上圖中輸入電壓Vi對應輸出V O ，假設負載RL的變化引起輸出電壓變化了ΔV O ，我們把負載RL變化引起的輸出電壓變化率叫做負載調整率，用ΔLoad表示，如下式：

舉個(gè)例子，芯片A與芯片B用上圖所示電路進(jìn)行測試，初始條件都是V i =5V、V O =3.3V，將負載值RL進(jìn)行相同大小的調整后，測得芯片A輸出為3.4V，而芯片B輸出為3.5V，

則芯片A的負載調整率是：

而芯片B的負載調整率是：

在理想狀態(tài)下，我們希望無(wú)論負載是怎么變化的，輸出都是恒定的，即ΔV為0，因此這個(gè)值是越小越好，因此芯片A的負載調整率要更好一些。嚴格地說(shuō)，負載調整率=（滿(mǎn)負載輸出電壓-半負載輸出電壓）/額定負載輸出電壓，這里只是為了說(shuō)明負載調整率的意義。

下面我們看看，當輸入電壓波動(dòng)時(shí)，電路是如何對輸出進(jìn)行調整的：

輸入電壓Vi上升時(shí)，由于VCE1還沒(méi)來(lái)得及調整，因此輸出VO勢必會(huì )隨Vi上升。

電阻R3、R4、RP1是對輸出電壓VO進(jìn)行分壓采集，因此三極管Q2的基極電位VB2相應也會(huì )上升，而Q2的發(fā)射極因為D1、R2提供穩定的參考電位V Z ，則有V BE2 =V B2 -VZ上升，繼而導致Q2的基極電流IB2與IC2相繼上升。

三極管Q2的集電極IC2上升將導致Q2集電極電位VC2下降，則有Q1的發(fā)射結電壓V BE1 =V B1 -V E1 =V C2 -V E1 =V C2 -VO下降（記住前提條件，輸出電壓VO是上升的），Q1基極電極電流IB1與集電極電流IC1相繼下降，繼而VCE1上升將Vi的上升量抵消，從而將輸出VO穩定在之前的輸出電壓值。

這個(gè)穩壓的過(guò)程可以如下所示：

與負載調整率類(lèi)似，我們用電壓調整率來(lái)衡量輸入電壓變化引起的輸出電壓變化：

上圖中輸入電壓Vi對應輸出V O ，假設輸入電壓Vi的變化引起輸出變化了ΔV O ，我們把輸入電壓變化引起的輸出電壓變化率叫做電壓調整率（line regulation，也有叫線(xiàn)性調整率），用ΔLine表示，如下式：

同樣，我們將芯片A與芯片B用上圖所示電路進(jìn)行測試，初始條件都是V i =5V、V O =3.3V，將輸入電壓值進(jìn)行相同大小的調整后，測得芯片A輸出為3.4V，而芯片B輸出為3.5V，

則芯片A的電壓調整率是：

而芯片B的電壓調整率是：

在理想狀態(tài)下，我們希望無(wú)論輸入電壓是怎么變化的，輸出電壓都是恒定的，即ΔV為0，因此這個(gè)值也是越小越好，因此芯片A的電壓調整率要更好一些。

嚴格地說(shuō)，電壓調整率是在輸出接固定負載時(shí)，將輸入電壓在一定的范圍進(jìn)行調整并從中取得輸出電壓的最小值與最大值，則電壓調整率=（輸出電壓最大值-輸出電壓最小值）/額定輸出電壓，這里只是為了說(shuō)明電壓調整率的意義。

同樣，輸入電壓Vi不能一直升高到無(wú)限大，如果輸入電壓Vi超過(guò) 工作允許最大電壓（OperatingInput Voltage） ，LDO可能會(huì )損壞。