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              LDO結構及工作原理

              來源:立深鑫電子????????發布時間:09-03????????點擊:
              摘要 : LDO和BUCK電路有千絲萬縷的聯系,大部分開關電源學習都是從線性電源(LDO是線性電源的一種)引入的,而且二者在某些小功率場合也可以相互替代使用。所以還是把LDO部分拿出來作為一篇總結一下
              LDO和BUCK電路有千絲萬縷的聯系,大部分開關電源學習都是從線性電源(LDO是線性電源的一種)引入的,而且二者在某些小功率場合也可以相互替代使用。所以還是把LDO部分拿出來作為一篇總結一下吧,以基本原理為重點。

              下圖1是模擬電路中學習過的最基本的穩壓電路,核心器件是穩壓管,它的穩壓工作區間決定了輸出穩壓的范圍,通過這種簡單電路,可以實現小電流(百mA級別),小動態范圍內的穩壓。圖1右邊電路僅多了一個三極管,目的就是提升輸出帶載能力,同時三極管還引入了電壓負反饋,起到穩定輸出電壓的作用。


              穩壓電路
              穩壓電路

              圖1.基本調整管穩壓電路

              當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大,輸出電壓Vout會瞬間增加,三極管的射極電Ve壓隨之增大,如果基極電壓Vb不變,則Vb-Ve就會減小,進而輸出電流減小,Vout減小。

              上述基本調整管穩壓電路存在兩個問題:

              (1)輸出電壓不可調

              (2)輸出電壓Vout會受到Vbe電壓波動的影響,穩定性較差。

              因此,目前LDO或線性穩壓器通常會引入運算放大器,加深負反饋的同時提高輸出電壓穩定性。


              線性穩壓器
              線性穩壓器

              圖2. 通用LDO電路原理圖

              圖2所示為通用LDO的原理結構圖:在基本穩壓管調整電路基礎上增加了運算放大器A和分壓電阻采樣網絡R1和R2。當輸入電壓Vin增大或輸出負載電阻增大,輸出電壓Vout會瞬間增加,通過R1、R2分壓采樣得到的電壓也增加,由于是反向端輸入,運放A的輸出會相應減小,則Vb-Ve就會減小,進而輸出電流減小,Vout減小。下面介紹幾種目前常用的LDO或線性穩壓器結構:


              LDO電路原理圖

              圖3. 傳統NPN型穩壓器

              圖3所示,為最早的NPN型線性穩壓器,在NPN穩壓器的內部使用一個 PNP管來驅動 NPN 達林頓管(NPN Darlington  pass transistor),輸入輸出之間存在至少1.5V~  2.5V的壓差(Dropout Voltage)。這個壓差為:


              NPN型穩壓器

              圖4. 準低壓線性穩壓器QLDO

              另一種廣泛應用于某些場合是準LDO(例如:5V到3.3V 轉換器)。準LDO介于 NPN 穩壓器和 LDO 穩壓器之間而得名,導通管是由單個PNP管來驅動單個NPN管。因此,它的跌落壓降介于NPN穩壓器和LDO之間:


              線性穩壓器QLDO

              圖5.低壓差線性穩壓器LDO

              在LDO(Low Dropout)穩壓器中,導通管是一個PNP管。LDO的最大優勢就是PNP管只會帶來很小的導通壓降,滿載的跌落電壓的典型值小于500mV,輕載時的壓降僅有10~20mV。LDO的壓差為:


              線性穩壓器QLDO

              圖6. 超低壓差線性穩壓器

              由P溝道MOS管構成的PMOS超低壓差線性穩壓器(VLDO),其壓差可降至 100mV左右。由 N溝道MOS管構成的NMOS VLDO,其壓差可低至幾十毫伏。

              下圖7中總結了各類線性穩壓器或LDO的電路結構,標注出了關鍵節點器件的壓降特性,可以一目了然的對比它們的差異。


              超低壓差線性穩壓器

              圖7. 各類線性穩壓器電路結構圖

              總的來說,三極管電流驅動、MOS管電壓驅動,三極管靜態損耗大,MOS管靜態損耗很小。雙極型管子由于其電流增益比較大,可以為負載提供相當大的電流,MOS管提供的電流相對較小。NMOS的源極與負載并聯使得輸出端是一個低阻抗節點,LDO的輸出阻抗比較小且受負載波動的影響弱,輸出端上的極點處在高頻區域。但為了導通NMOS管,G端至少比S端高一個閾值電壓,一般情況0.7V。如果所要求的壓降幅度比較小,那么不得不考慮另外設計升壓電路電荷泵來提高NMOS的G端電位,電路因此會變復雜。PMOS的漏極與負載并聯使得輸出端是一個高阻抗節點,LDO的輸出阻抗大且受負載電阻影響。輸出會給系統引入一個位于低頻段的極點,給系統的穩定性帶來影響。


              線性穩壓器電路結構圖
              線性穩壓器電路結構圖

              圖8. LDO調整原理

              LDO正常工作在點P1,負載電阻降低,輸出電流增大,輸出電壓Vo降低,VGS增大,VDS增大,工作點移動到P2,反饋電壓降低,放大器輸出VG增大,VGS增大,ID增大,Vo增大,VDS減小,工作點移到P3,在大負載上達到新的平衡??偟膩碚f,與BUCK電路不同,LDO的調整管工作在線性區(放大區),其優點包括:

              (1)結構簡單,外圍器件少,使用方便

              (2)無開關噪聲,可應用于要求高精度低噪聲的模擬電路中

              但缺點也同樣明顯:

              (1)只能降壓,不能升壓

              (2)效率低,特別是輸入電壓高的情況下,一般負載電流小于1A情況下使用


              以上這就是這一篇講述的內容了,概括性的講述了從基本調整管穩壓器到目前常見的各種類型線性穩壓器的電路結構、工作原理。
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