在硬件設備開發(fā)領域，LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）是工程師們常用的電路模塊之一。本文將深入介紹 LDO 的基本原理、關鍵參數(shù)及其在電路設計中的應用，包括輸入輸出電壓、電源抑制比、額定輸出電流等關鍵參數(shù)的詳細解析，并探討不同類型 LDO 的特點。

在硬件設備開發(fā)過程中，LDO 和 DC - DC 常常被拿來對比。很多工程師在面試時，也會遇到關于兩者區(qū)別及優(yōu)劣勢的考題。LDO 作為硬件設計中極為重要的電路模塊，無論是集成式芯片還是自行搭建的模塊，都值得深入了解。
LDO 即低壓差線性穩(wěn)壓器，下面為大家展示一個最簡單的 LDO 電路圖。

這個電路主要運用了誤差放大器、NMOS 管和電阻。經(jīng)計算，其 OUT 值為 3.6V，主要與參考電壓 VCC1 以及 R1、R2 有關，因此該 LDO 電路圖主要用于 5V 轉 3.6V。此電路巧妙利用了 MOS 管可變電阻的特性來保持輸出端電壓的穩(wěn)定。當后級負載因不穩(wěn)定因素導致 OUT 端電壓下降時，分壓給誤差放大器 “-” 級的電壓變小，與正極參考電壓的壓差變大，根據(jù)運放公式 Uo = A *（U + - U - ）可知輸出電壓變大。此時 MOS 管工作在可變電阻區(qū)，電阻變小，使電路壓差變小，從而保持輸出穩(wěn)定。
不過，輸出電壓并非只與參考電壓和 R1、R2 相關，輸入電壓也不能任意取值。根據(jù)輸出電壓為 3.6V（即 MOS 管的 S 極電壓為 3.6V）以及 MOS 管的 Uds 擊穿電壓，我們可以推算出其最大輸入電壓。
在芯片方面，制造 LDO 芯片的廠家眾多，如 TI、UTC、艾為、ETA 等。不同廠家、不同型號的 LDO，內部結構存在差異，但原理與上述分離式電路相同，只是集成到了芯片內部。
接下來，我們詳細探討 LDO 的幾個關鍵參數(shù)（以艾為的 AW37030D180DNR 型號的 LDO 為例）。

1. 輸入 & 輸出電壓及壓降：選型時，首先要關注 LDO 的輸入 & 輸出電壓。參考手冊上 LDO 的輸入值通常是一個范圍，輸出則是固定數(shù)值。例如該型號 LDO 輸入范圍為 1.9V - 5V，輸出為 1.8V。壓降 Dropout 指正常工作時輸入與輸出的差值，正常使用需滿足 Vin > Vout + Vout (dropout)。
2. 電源抑制比：它表示 LDO 對輸入端噪聲的抑制能力。很多情況下，LDO 接在 DC - DC 電路后面，主要目的就是抑制噪聲。PSRR = 20lg [(Vin - Vripple)/( Vout - Vripple)] ，高 PSRR 的 LDO 對輸出紋波的抑制作用明顯。在 100K 到 1MHz 內的 PSRR 非常重要，因為這是 DCDC 的噪聲頻率范圍，LDO 作為 DCDC 的下一級，需有能力濾除大量噪聲。在 ADC、DAC、Camera 的 AVDD 供電上，應選擇 PSRR 大于 80dB（@100Hz）的 LDO。
3. 額定輸出電流：即通過 LDO 的額定電流。設計時需特別關注，在 LDO 的 datesheet 上，我們常能看到電流電壓曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一款 LDO 在流經(jīng)不同電流時，輸出電壓值會有略微變化。
4. LDO 溫度性能：許多電子元器件都有規(guī)定的工作溫度范圍，LDO 也不例外。不同封裝的 LDO 溫度性能不同，從相關圖表中可以看出，環(huán)境溫度對 LDO 的輸出有不同影響。
5. 靜態(tài)電流 I Q：指外部負載電流為 0 時，LDO 內部電路供電所需的電流。靜態(tài)電流會受到外部輸入電壓和溫度的影響。
   
   
6. 瞬態(tài)響應：在 LDO 應用中，輸入電壓和輸出負載可能會劇烈變化。輸入端可能因供電設備電壓波動而劇烈變化，輸出端可能出現(xiàn)負載切換等情況，這些都會導致 LDO 輸出電壓波動。通過 LDO 的瞬態(tài)響應曲線，我們可以了解其在輸入電壓或負載電流劇烈變化時輸出電壓的變化情況。具有良好瞬態(tài)響應的 LDO，輸出電壓波動幅度小，恢復時間快。當負載電流急劇變化時，輸出電壓能保持穩(wěn)定；輸入端電壓急劇變化時，LDO 的輸出也幾乎不受影響。
   
   
7. 功耗：由于 LDO 輸入與輸出電流近乎相似，其效率可等效為 Vout/Vin（理論上為 Po/Pi = Vo * Io / (Iout + IQ) * Vin），這也是 LDO 效率小于 DCDC 的原因。選型設計時，應盡量避免輸入輸出壓差過大，否則會導致 LDO 效率低、損耗多、發(fā)熱嚴重。為解決發(fā)熱問題，很多廠商會為 LDO 設計專門的散熱焊盤，該焊盤位于器件腹部，通過多打地孔與 PCB 板的 GND 連接，借助整體 PCB 的 GND 實現(xiàn)散熱。
8. 電路設計：LDO 通常有四個引腳，分別為輸入、輸出、使能和接地端。IN 端接電源輸入端，前端常為 DC - DC 輸出端或其他供電端，同時輸入端接一個大電容。OUT 端接負載。CE 端為使能端，可通過觀察使能端是否為高電平判斷 LDO 是否工作。GND 端接地。在電路設計中，輸入端會連接一顆電容接地，以獲得更好的瞬態(tài)響應并起到濾波作用。輸出電容端同樣會掛載一顆 UF 級別的大電容，用于存儲大量電荷，穩(wěn)定輸出電壓，增加環(huán)路穩(wěn)定性。電容的選擇可參考 datesheet 上的建議。

此外，上述 LDO 內部選用 PMOS 的較多，NMOS 較少。雖然 NMOS 具備驅動電流能力強、所占面積小以及 PSRR 更好等優(yōu)點，但在導通時需滿足 Vg - Vs > Vth 的條件。如果 LDO 輸出電壓（即 NMOS 的源極電壓）較高或驅動電流較大，Vg 則需更大電壓才能滿足 MOS 導通要求，這在上述 LDO 中較難實現(xiàn)。為此，出現(xiàn)了帶有偏置電壓 Vbias 的 LDO 電路，可使柵極獲得高于 Vin 的 Vbias，輕松滿足驅動 NMOS 所需的較高柵極電壓，同時較高的 Vgs 使 RDS (on) 更小，可實現(xiàn)超低的壓降。


除了外接 Vbias 的 LDO，還有通過 charge pump 來驅動 NMOS 的 LDO，目的相同。此外，存在可調電阻位于外部的 LDO，開發(fā)者可靈活設計電壓輸出值。輸出端會接入一個 Cff 電容到 ADJ，該電容可改善噪聲性能、穩(wěn)定性、負載響應和 PSRR，與降噪電容配合使用可大大改善輸出效果。

另外，還有配有 I2C 的 LDO，在手機的 Camera 中應用較多。以 WILL 的 WL2866D 為例，它有兩個輸入（Vin1、Vin2）和四個輸出（DVDD1、AVDD1、DVDD2、AVDD2）。其中 Vin1 范圍為 0.6V - 2V，Vin2 范圍為 3 - 5.5V；DVDD 輸出范圍為 0.6 - 1.8V，AVDD 輸出范圍為 1.2 - 4.3V。在手機 Camera 模組各路電中，AVDD 通常為 2.8V，電壓較大，芯片內部采用 PMOS 方案，Vin2 作為輸入源；DVDD 通常為 1.2V，因輸出電壓小且電耗流大，內部采用 NMOS 方案，同時選擇較大電壓的 VIN2 作為 Vbias。不過，手機 Camera 模組的 DVDD 并非統(tǒng)一為 1.2V，也有 1.1V、1.05V 的情況，市面上輸出為 1.05V 的 LDO 較少，在 MTK 平臺更是需在自家 PMIC 中單獨設計一路 LDO。而這種帶 I2C 的 LDO 不僅可實現(xiàn)多輸入多輸出，還能通過更改寄存器地址選擇電壓檔位。此外，為滿足后級負載下電時長要求，四路 LDO 還有快速放電功能，可通過寄存器配置打開。