一文读懂LDO 的工作原理及其应用实例
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LDO即low dropout regulator，是一种低压差线性稳压器。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况，芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。
LDO其中最重要的就是启动和关闭两个特性 LDO的启动时间也称为初始负载响应或上电时间，在高性能系统中对此要求很严格（例如严格的上电时序）需要快速的上电。线性稳压器的 ON 状态是指输出电压达到额定输出 95%时。启动时间受反馈环路的增益，带宽，输出电流以及 Vin 和 Vout 的压降影响。LDO的原理图如下：
要得到快速的启动就要是 MOS 管尽快地导通。MOS 管由误差放大器控制，能带隙参考源（bandgap ）又是误差放大器的输入，所以要求能带隙参考快速启动。快速的启动会导致输出产生过冲，并且快速的电压上升使输出电容的充电电流很大，可能产生可靠性问题，所以启动时间能满足需要即可。在有些场合中（例如 射频功放），需要 LDO 减小过冲并慢速启动，这就需要在能带隙参考上添加电容，不仅能减小过冲而且可以降低噪声。例如 TPS74201、TPS74401 具备缓起功能（soft start），在外部添加 Css 电容即可实现。 LDO 的关闭有过热关闭和主动关闭两种，过热关闭是一种保护措施，避免 LDO 器件损坏。谈到 LDO 的发热先来介绍一下LDO 效率，当对地电流相对于 Iout 很小时，LDO 的效率=Vout/Vin。LDO 消耗的功耗 P=Pin*(1-Vout/Vin)=Iout*(Vin-Vout)。 可以看出 Vin 和 Vout 压差越大 LDO 效率越低，自身消耗的功率越大，发热越大。当发热使温度达到过热关闭门限时，LDO 的保护电路启动，关闭 LDO 的输出。
上图是将 LDO 的输出短路，来快速测试 LDO 过热关闭功能，X 轴是时间，Y轴是电流。LDO 输出短路后，LDO 输出最大电流，消耗功耗最大。从图中可以看到，短路后电路骤然增加，经过 40ms 左右超过过温门限，LDO 关闭，电流为零，再经过 5 个毫秒左右温度低于过温门限，LDO 恢复输出。由于短路情况没有消除，这个过程循环进行，直到将短路情况去除（电流为0）。过温恢复是有迟滞门限的，避免过于频繁的震荡。 所以为了使 LDO 在正常工作电流范围内不过温关闭，就要做好 LDO 的散热。LDO 的热阻可以从手册中查看，例如 LP2950 的热阻说明，要根据所选的封装看热阻参数。例如当Vin=12V，Vout=5V，电流输出 150mA 时，LDO 消耗功率（12-5）*0.15=1.05W。环境温度在 30度时，选择 D 型封装，通过热阻推算硅片 PN 结温度=30 1.05*97=131 度。大于最大允许温度Tj=125 度，会产生过温关断。所以在这种情况下要选择热阻更小的封装，或者外加风扇或散热片减小热阻，或者减小 Vin 和 Vout 的电压差。 LDO 的主动关闭是电源控制的一种方法，例如控制下电时序或者控制某一部分电路进入低功耗，主动关闭通过 EN 管脚实现。需要注意的是由于 LDO 的输出有滤波电容，并且后级芯片的电源管脚上接有电容，所以在关闭后由于电容存储的电荷使输出电压缓慢下降。电压下降缓慢致使后级电路在低电压上停留的时间较长，对于数字电路可能使电路在非正常供电电压下进入错误状态，这些错误状态可能触发某些危险操作。所以为了避免这些情况需要下电迅速，也就是 LDO 关闭后需要对电容放电。如下图：
LDO 在输出端集成了 MOS 管，在关闭输出时对电容放电。例如 LP3995、TLV711 双路输出系列电源芯片，集成了这个功能。 |
