LDO核心电路原理

 

一、LDO在锂电池充电器中的应用

                

       如上图所示，在锂电池充电器中，随着锂电池的使用时间增加，可能使得锂电池的电压逐渐降低，而应用电路则需要一个稳定的供电电压，如2．5V，这样，只需在锂电池和应用电路之间加入一个LDO，当LDO的输入电压在工作电压变化范围内时，LDO的输出电压都是稳定的(2.5V)，此时就可以通过LDO的输出电压对应用电路进行供电。LDO的应用范围很广，然后，现在的LDO仍然存在很多技术指标上的不足，例如：Dropout电压比较大，静态电流比较大，转换效率低，输出电流较小等，为了弥补这些技术指标的不足之处，LDO朝着以下几个方向发展：

(1)Dropout电压越来越低；
(2)静态电流越来越小；
(3)输出电流越来越大；
(4)输出噪声越来越低；
(5)电容所需数量越来越少；
(6)附加功能越来越完善；
(7)封装面积越来越小；

       其中输出大电流方向是LDO发展的一个重要方向，因此，本文主要研究LDO的大电流，高稳定性方向。

 

二、LDO的基本构架和工作原理

       LDO是一种直流降压型的线性稳压器，其在输入电压或者负载电流发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压。如今的LDO电路具有体积小，噪声低，功耗低，价格低廉，使用方便等特点，但其基本的结构比较简单，包含了电压基准源(VREF)，
误差放大器(EA)，调整管(MPASS)，反馈电阻(Rl，R2)四个模块，如下图所示。其中：

• 电压基准源为误差放大器提供了高精度的基准电压，误差放大器、调整管以及反馈电阻组成了LDO的控制环路，当输入电压或者负载电流变化的时候，输出电压VoUT也要做出相应的变化，此时LDO通过它的控制环路的负反馈调节作用可以抑制输出电压Votrr的变化。
• 如图下所示，当输出电压降低时，通过反馈电阻R1，R2的分压作用，反馈电压VFB也相应的降低，基准电压源于误差放大器的反向输入端提供了稳定的参考电压，反馈电压VFB接误差放大器的正向输入端，误差放大器的输出电压VEA相应减小，调整管MPASS的栅极电压降低，栅源电压差值增加，漏极电流增加，输出电压Votrr相应增加，抑制了输出电压Votrr的降低，从而保持在稳定的输出。

         

       

       在深度负反馈中，LDO线性稳压器的输出电压仅仅取决于控制环路的电阻比值和基准电压(VREr)，而与输入电压以及负载电流等其他参数的大小无关，在一定范围的电源电压下，若要增大LDO的输出电压，则需减小反馈系数(F)或增大基准电压(VREF)，这需要根据实际电路的输出电压要求来确定。

 

三、LDO的主要性能指标

       LDO的主要性能指标包括压差电压，静态电流，效率，线性调整率，负载调整率，线性瞬态响应，负载瞬态响应，噪声等等

 3.1、Dropout电压

       Dropout电压定义为在一定的负载电流下，当输出电压趋于稳定时的最小输入电压与输出电压的差值，其表达式为：

       

 3.2、静态电流

       静态电流(IQ)为电源电压Vm提供的总电流(IV矾)和负载电流(ILoAD)之差，它主要由误差放大器，基准电压源等内部偏置电路的电流组成，其表达式为：

             

 3.3、效率

       根据Dropout电压和静态电流的表达式，可以得出效率的表达式为：

       

       一般情况下，ILOAD是LDO输出的最大负载电流，效率为LDO的最大输出功率和输入功率的比值，由上式得到，提高LDO的效率可以减小静态电流(IQ)和Dropout电压。一般情况下减小静态电流会使得电路的带宽减小，响应速度变慢；减小Dropout电压会增加调整管的宽长比，增大芯片的面积，故设计时需要折衷考虑。
 

 3.4、线性调整率

       LDO的线性调整率(Sv)是_个直流变化量，它是输出电压VoLrr随输入电压V琳的变化的变化率，表达式为：

        

       当输入电压变化时，基准电压和控制环路都会对输出电压的变化产生影响，独立考虑这两个量对输出电压的影响，再应用叠加原理，将两者的影响相加，则可以得到输出的最终变化量。

 

 3.5、负载调整率

       LDO的线性调整率(S1)是一个直流变化量，它是输出电压VoLrr随负载电流ILOAD的变化的变化率，其表达式为：

       

       由上式可以看出，如果要降低LDO的负载调整率，减小负载电流的变化对输出电压的影响，可以提高环路的增益，但是高环路增益的电路的稳定性补偿问题非常困难，故在设计时需折衷考虑。
 

 3.6、线性瞬态响应

       线性瞬态响应是指LDO的输入电压(VIN)在正常工作范围内突然发生一个跳变，输出电压(VoLrr)趋于稳定后变化的最大值。如果输出电容Co的值越大，LDO的带宽越宽，则线性瞬态响应越好。

 

 3.7、载瞬态响应

       负载瞬态响应是指LDO的负载电流(ILom)突然发生一个跳变，输出电压(Votrr)趋于稳定后变化的最大值。输出电压的变化主要由两部分组成，一是当负载电流变化时，输出电容(Co)的寄生电阻(RzsR)上会产生一个电压差；二是当负载电流变化时，LDO
的环路需要很短的反应时间△T，在△T时间内，突变后的负载电流将会对输出电容Co进行充电，从而改变输出电压的值。为了改善负载的瞬态响应，可以减小寄生电阻(REsR)和反应时间△T，或者增大输出电容(Co)。

 

四、参考文献

 4.1、《LDO低压差线性稳压器核心电路的设计》，西南交通大学，梁建