LDO为什么低噪声却容易发热LDO到底怎么选在电源管理领域低压差线性稳压器LDO可谓“老熟人”。它结构简单、输出干净是低电流直流转换场景中的首选方案。但你真的了解它吗从调整管类型到PSRR、瞬态响应、输出噪声每一个参数都藏着设计的关键。1、什么是LDO在电子系统中LDO 是最常见的电源器件之一。它的全称是 Low Dropout Regulator低压差线性稳压器属于集成线性稳压器的一类。所谓“低压差”指的是它在输入电压与输出电压之间只需要较小压差时仍然能够维持稳定输出。相比传统线性稳压器LDO 可以在更低的输入输出压差下工作因此特别适合低压供电系统。LDO 的优势非常明确外围电路简单、输出噪声低、电源品质高、不产生开关型电源常见的 EMI 问题同时瞬态响应也相对较好。但它的缺点同样明显当输入与输出之间的压差变大时多余电压会直接以热的形式消耗在芯片内部导致效率下降、发热加重并最终受到封装散热能力限制。因此LDO 不是简单的“低成本降压器件”而是一类更偏向于低噪声、高纯净度、小电流电源转换的器件。现在的 LDO 芯片已经远不只是一个简单稳压器。很多产品内部集成了缓启动、过压保护、欠压保护、输出短路限流、过热保护、输出电压放电等功能。按照功率管的类型、性能特点和输出电流能力形成了很多系列的产品为用户提供了丰富的选择。由于输出噪音低相比DC/DC不产生EMI电路简单且当输入/输出压差不很大时效率可以接受 甚至很高例如 3.6V转3.3V的情况效率可达超过90%所以LDO是低电流直流转换器的首选产品。2、LDO的主调整管有什么区别LDO 的内部主调整管通常有两类MOS管和三极管。1.CMOS 工艺调整管通常是 MOSFET。以 PMOS 型 LDO 为例芯片通过控制 PMOS 的栅极电压来改变其导通电阻。当输出电压偏低时栅极电压被拉低PMOS 导通增强压降减小输出电压被拉回目标值反之则减弱导通。CMOS LDO 的特点是低静态电流MOS 是电压控制器件栅极几乎不消耗直流电流非常适合电池供电和低功耗设备。低压差PMOS 的导通电阻可以设计得较小因此能实现较低的压差Dropout Voltage。更复杂的环路补偿。2. Bipolar 工艺传统或大电流 LDO 中调整管常采用 PNP 型 BJT。它通过控制 PNP 的基极电流Ib来改变导通程度因此属于电流控制器件。Bipolar LDO 的特点是环路补偿相对简单。电流密度高在相同芯片面积下BJT 通常可以通过更大的电流。静态电流较高压差相对更大。由于 PNP 需要基极电流且饱和压降通常高于 PMOS 的导通压降因此在低功耗和低压差场景下不如 CMOS LDO 有优势。3、LDO的关键参数在 LDO 选型中除了输入/输出电压和输出电流外我们还需要关注以下几个关键指标静态电流它直接决定空载功耗也在很大程度上决定这颗 LDO 适合什么应用场景。VDROP该数值通常在几十到几百毫伏是保证芯片工作在“可控调整器”状态所要求的最低输入/输出压差。一旦低于此值输出电压不在保持稳定并开始下降进入 bypass 模式这是选择 LDO 产品的核心参数。我们结合TI的一款输出电压可调的 500mA LDO -TLV75801PDBVR 的规格来详细介绍 LDO的其它几个重要参数。首先是LDO的瞬态效应瞬态效应分为源效应和负载效应。源效应Line Transient是描述输入电压发生突变时输出电压偏离额定值的幅度和恢复时间。负载效应Load Transient是输出电流发生突变时输出电压偏离额定值的幅度和恢复时间。这两个参数是用来评估输出电压对突变条件的反应速度和稳定能力。TI这一款属于通用性LDO并不是快速响应产品它的源效应尚好时间较短但负载效应恢复时间较长。另一个重要参数是电源抑制比PSRR指输出电压上测到的因输入的噪音而引起的扰动。因为采用二十倍频程所以单位是dB。如某一个频率下PSRR是40dB那就是指通过LDO的调整效应已经把它输入噪音降低到原来的1%。从曲线上可以发现SPEC中给出的PSRR是输入-输出电压差较高时的值比如图中的3.9V 以上。当这一压差减小时PSRR降低输入端的噪音更容易影响输出。而改变输出电容值会影响高频端PSRR曲线随电容的增大高频段的峰值点降低向低频测移动。4、LDO的输出噪音这是LDO电路本身产生的输出电压上的扰动这与PSRR不相关。该噪音是其输出电压稳定性和纯净度的重要指标之一尤其在模拟、射频(RF)ADC/DAC电路参考电源等敏感电路中非常关键。输出端上叠加的随机电压扰动产生的原因是:带宽内的随机噪声Thermal/Flicker Noise输出电容/参考电压源/放大器内部电路产生的噪声一般用2个指标来描述。输出噪声积分值指在指定带宽内的总噪声输出噪声密度指每单位频率的噪声幅度这些噪声会叠加在输出电压上使原本理想的直流输出出现细微起伏。它会随着输出电流变化和输出电容值变化总体上来说频率升高噪音有效值降低。5、LDO的外围设计原则在设计LDO电路时其过载限流和短路限流内部已经设置好只需外配输入电容和输出电容如果我们使用输出电压可调的产品反馈支路的电流一定要远远大于流入反馈端的电流这样是为了保证IFB不影响分压值R1R2最好用1%精度的电阻。如考虑成本则至少同一厂家同一批次的产品尽可能保证批量生产时的一致性同时 PMOS 的体二极管是始终存在的也就是说在 LDO 的输出和输入端之间存在一个二极管某些情况下有输出向输入反灌能量的可能设计师要时刻意识到这一点。输出电容和输入电容应该选低ESR值的电容LDO电路的布线应该使得器件尽量靠近保证散热的前提下尽量减小布线形成的环路的面积。LDO 的价值不只是把一个电压稳定成另一个电压而是为系统提供一条低噪声、低 EMI、结构简单且可靠的电源轨。对于电子工程师来说真正用好 LDO 的关键是理解它在“效率、噪声、压差、瞬态和散热”之间的取舍。只有把这些参数放到具体应用场景中一起评估LDO 才能发挥出它在电源系统中的真正优势。