深入解析 LDO 电路设计与选型的关键参数

在硬件设备开发领域，LDO（低压差线性稳压器）是工程师们常用的电路模块之一。本文将深入介绍 LDO 的基本原理、关键参数及其在电路设计中的应用，包括输入输出电压、电源抑制比、额定输出电流等关键参数的详细解析，并探讨不同类型 LDO 的特点。

在硬件设备开发过程中，LDO 和 DC - DC 常常被拿来对比。很多工程师在面试时，也会遇到关于两者区别及优劣势的考题。LDO 作为硬件设计中极为重要的电路模块，无论是集成式芯片还是自行搭建的模块，都值得深入了解。
LDO 即低压差线性稳压器，下面为大家展示一个最简单的 LDO 电路图。

这个电路主要运用了误差放大器、NMOS 管和电阻。经计算，其 OUT 值为 3.6V，主要与参考电压 VCC1 以及 R1、R2 有关，因此该 LDO 电路图主要用于 5V 转 3.6V。此电路巧妙利用了 MOS 管可变电阻的特性来保持输出端电压的稳定。当后级负载因不稳定因素导致 OUT 端电压下降时，分压给误差放大器 “-” 级的电压变小，与正极参考电压的压差变大，根据运放公式 Uo = A *（U + - U - ）可知输出电压变大。此时 MOS 管工作在可变电阻区，电阻变小，使电路压差变小，从而保持输出稳定。
不过，输出电压并非只与参考电压和 R1、R2 相关，输入电压也不能任意取值。根据输出电压为 3.6V（即 MOS 管的 S 极电压为 3.6V）以及 MOS 管的 Uds 击穿电压，我们可以推算出其最大输入电压。
在芯片方面，制造 LDO 芯片的厂家众多，如 TI、UTC、艾为、ETA 等。不同厂家、不同型号的 LDO，内部结构存在差异，但原理与上述分离式电路相同，只是集成到了芯片内部。
接下来，我们详细探讨 LDO 的几个关键参数（以艾为的 AW37030D180DNR 型号的 LDO 为例）。

1. 输入 & 输出电压及压降：选型时，首先要关注 LDO 的输入 & 输出电压。参考手册上 LDO 的输入值通常是一个范围，输出则是固定数值。例如该型号 LDO 输入范围为 1.9V - 5V，输出为 1.8V。压降 Dropout 指正常工作时输入与输出的差值，正常使用需满足 Vin > Vout + Vout (dropout)。

2. 电源抑制比：它表示 LDO 对输入端噪声的抑制能力。很多情况下，LDO 接在 DC - DC 电路后面，主要目的就是抑制噪声。PSRR = 20lg [(Vin - Vripple)/( Vout - Vripple)] ，高 PSRR 的 LDO 对输出纹波的抑制作用明显。在 100K 到 1MHz 内的 PSRR 非常重要，因为这是 DCDC 的噪声频率范围，LDO 作为 DCDC 的下一级，需有能力滤除大量噪声。在 ADC、DAC、Camera 的 AVDD 供电上，应选择 PSRR 大于 80dB（@100Hz）的 LDO。

3. 额定输出电流：即通过 LDO 的额定电流。设计时需特别关注，在 LDO 的 datesheet 上，我们常能看到电流电压曲线图。从图中可以发现，同一款 LDO 在流经不同电流时，输出电压值会有略微变化。

4. LDO 温度性能：许多电子元器件都有规定的工作温度范围，LDO 也不例外。不同封装的 LDO 温度性能不同，从相关图表中可以看出，环境温度对 LDO 的输出有不同影响。

5. 静态电流 I Q：指外部负载电流为 0 时，LDO 内部电路供电所需的电流。静态电流会受到外部输入电压和温度的影响。
   
   

6. 瞬态响应：在 LDO 应用中，输入电压和输出负载可能会剧烈变化。输入端可能因供电设备电压波动而剧烈变化，输出端可能出现负载切换等情况，这些都会导致 LDO 输出电压波动。通过 LDO 的瞬态响应曲线，我们可以了解其在输入电压或负载电流剧烈变化时输出电压的变化情况。具有良好瞬态响应的 LDO，输出电压波动幅度小，恢复时间快。当负载电流急剧变化时，输出电压能保持稳定；输入端电压急剧变化时，LDO 的输出也几乎不受影响。
   
   

7. 功耗：由于 LDO 输入与输出电流近乎相似，其效率可等效为 Vout/Vin（理论上为 Po/Pi = Vo * Io / (Iout + IQ) * Vin），这也是 LDO 效率小于 DCDC 的原因。选型设计时，应尽量避免输入输出压差过大，否则会导致 LDO 效率低、损耗多、发热严重。为解决发热问题，很多厂商会为 LDO 设计专门的散热焊盘，该焊盘位于器件腹部，通过多打地孔与 PCB 板的 GND 连接，借助整体 PCB 的 GND 实现散热。

8. 电路设计：LDO 通常有四个引脚，分别为输入、输出、使能和接地端。IN 端接电源输入端，前端常为 DC - DC 输出端或其他供电端，同时输入端接一个大电容。OUT 端接负载。CE 端为使能端，可通过观察使能端是否为高电平判断 LDO 是否工作。GND 端接地。在电路设计中，输入端会连接一颗电容接地，以获得更好的瞬态响应并起到滤波作用。输出电容端同样会挂载一颗 UF 级别的大电容，用于存储大量电荷，稳定输出电压，增加环路稳定性。电容的选择可参考 datesheet 上的建议。

此外，上述 LDO 内部选用 PMOS 的较多，NMOS 较少。虽然 NMOS 具备驱动电流能力强、所占面积小以及 PSRR 更好等优点，但在导通时需满足 Vg - Vs > Vth 的条件。如果 LDO 输出电压（即 NMOS 的源极电压）较高或驱动电流较大，Vg 则需更大电压才能满足 MOS 导通要求，这在上述 LDO 中较难实现。为此，出现了带有偏置电压 Vbias 的 LDO 电路，可使栅极获得高于 Vin 的 Vbias，轻松满足驱动 NMOS 所需的较高栅极电压，同时较高的 Vgs 使 RDS (on) 更小，可实现超低的压降。

除了外接 Vbias 的 LDO，还有通过 charge pump 来驱动 NMOS 的 LDO，目的相同。此外，存在可调电阻位于外部的 LDO，开发者可灵活设计电压输出值。输出端会接入一个 Cff 电容到 ADJ，该电容可改善噪声性能、稳定性、负载响应和 PSRR，与降噪电容配合使用可大大改善输出效果。

另外，还有配有 I2C 的 LDO，在手机的 Camera 中应用较多。以 WILL 的 WL2866D 为例，它有两个输入（Vin1、Vin2）和四个输出（DVDD1、AVDD1、DVDD2、AVDD2）。其中 Vin1 范围为 0.6V - 2V，Vin2 范围为 3 - 5.5V；DVDD 输出范围为 0.6 - 1.8V，AVDD 输出范围为 1.2 - 4.3V。在手机 Camera 模组各路电中，AVDD 通常为 2.8V，电压较大，芯片内部采用 PMOS 方案，Vin2 作为输入源；DVDD 通常为 1.2V，因输出电压小且电耗流大，内部采用 NMOS 方案，同时选择较大电压的 VIN2 作为 Vbias。不过，手机 Camera 模组的 DVDD 并非统一为 1.2V，也有 1.1V、1.05V 的情况，市面上输出为 1.05V 的 LDO 较少，在 MTK 平台更是需在自家 PMIC 中单独设计一路 LDO。而这种带 I2C 的 LDO 不仅可实现多输入多输出，还能通过更改寄存器地址选择电压档位。此外，为满足后级负载下电时长要求，四路 LDO 还有快速放电功能，可通过寄存器配置打开。