挑選線性穩壓器 (LDO)

Low Dropout Linear
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Duration : 5:27 (English, with user selectable subtitles)

什麼是LDO?

LDO也可稱為低壓差線性穩壓器,適合從較高的輸入電壓轉換成較低輸出電壓的應用,這種應用的功率消耗通常不是很大,尤其適用於要求低雜訊、低電流和輸入、輸出電壓差很小的應用環境。

LDO的特性

LDO透過控制線性區調整管的傳導來調節輸出電壓,這種線性調節方式能提供精確、沒有雜訊的輸出電壓,能對負載的改變做出快速的回應。因此,LDO的主要優勢就在於它的簡單性,很低的使用成本和雜訊,以及快速的回應能力。

然而,與開關切換式調節器相比,特別是在高VIN / VOUT的應用中,LDO的 效率相對較低,此時的功率消耗就成了較棘手的問題。

由於採用的是線性調節的方式,輸入和輸出之間的電壓差乘上負載平均電流所得到的功率就成為消耗在LDO調整管上的功耗,它可以被計算為PD = (VIN - VOUT) * ILOAD。所以,如果VIN和VOUT之間有過大的差異,並具有較高的負載電流,就會導致過度的消耗。

較高的功耗意味著LDO需要較大的封裝,這便增加了成本、PCB空間和應用中的熱問題。當LDO上的功耗超過0.8W時,最聰明的做法就是以Buck架構的轉換器予以取代。

應用

要選擇適當的LDO,首先要考慮輸入和輸出電壓範圍、它的電流負載能力和封裝散熱能力。瞭解一個LDO的最小電壓差(dropout voltage)是非常重要的,因為它決定了LDO在輸入、輸出電壓差很小時的輸出穩定能力。

微功率應用中(例如一些長年使用電池的應用),LDO的靜態電流IQ需要很低以避免不必要的電池消耗,此時就需要特殊的極低靜態電流的LDO。

在那些需要非常乾淨、低雜訊輸出的應用中,低輸出雜訊和優良的PSRR參數就成為選擇LDO的關鍵指標。

LDO線性穩壓器通常用於:

  • 轉換較高的輸入電壓(VIN)為較低的輸出電壓(VOUT
  • 需要非常乾淨的電源,或是對雜訊比較敏感的實際應用
  • VIN/VOUT比值不是很高,例如要將3.3V輸入轉換成2.5V輸出
  • 不需要大電流輸出的應用(通常可以高達1A)
  • 落在LDO上的功耗是有限的,例如少於0.8W

LDO的種類

下圖是兩種使用不同調整元件的常用 LDO電路結構: PMOS類型和NMOS類型。

PMOS類型LDO

針對 VIN > 2.5V的應用


PMOS-type LDO

這是PMOS LDO的基本電路,由調整管Q1、參考電壓和控制調整管的誤差放大器構成。誤差放大器透過電阻分壓網路以感測輸出電壓。

如圖所示,調整管Q1是一個P通道的MOSFET,它的源極與輸入電壓相連。

這個控制回路很簡單:誤差放大器透過控制P-MOSFET的柵極電壓使回饋引腳的電壓維持在與參考電壓相同的水準上。

當負載增加或輸入電壓降低導致輸出電壓下降時,誤差放大器將拉低相對於源極的柵極電壓,這便增加了P-MOSFET的傳導水準,輸出電壓就會再次上升到原來的穩定電壓上。

在此配置中,MOSFET可以被控制在非常接近MOSFET-ON的傳導水準,這使得即使VIN非常接近VOUT時,LDO仍可以正常操作。但由於柵極電位不能低於接地電位,輸入電壓也必須夠高以提供足夠的空間讓MOSFET的柵-源極電壓處在能夠正常操作的水準上。因此,使用P-MOSFET為調整管的LDO也會需要大約2.5V的最低輸入電壓要求。

NMOS類型LDO

(使用外部偏置電壓VBIAS 或內部電荷泵生成偏置電壓)

針對 VIN > 1V的應用

在一些應用中,您可能需要用非常低的電壓來驅動LDO,此時,您需要選用以N-MOSFET為調整管的LDO 。

使用N-MOSFET為調整管的LDO需要使用比輸出電壓高的柵極驅動電壓。為了達成非常低的輸入和輸出電壓指標,許多N-MOSFET LDO使用由內部電荷泵電路或外部輸入的偏置電壓來為其柵極提供驅動電壓,這使得這些N-MOS LDO可以使用非常低的輸入電壓,例如1V。

N-MOSFET也比具有相似尺寸的P-MOSFET具有更低的導通電阻(RDS(ON)),讓它們的最小電壓差(dropout voltage)同時也更低,這使得在低壓降的應用中輸出更大的電流成為可能。

下圖是採用N-MOS LDO從1.5V的低壓源提供乾淨、穩定的1.0V輸出的一個應用線路。由於LDO只有0.5V的壓降,它可以提供更多的輸出電流,且不會有過度的功率消耗。