對大多數應用來說，產品Datasheet中的基本參數規格通常都清晰明了。但遺憾的是，Datasheet并不會列出針對每種可能的電路條件的參數，許多主要性能參數并未得到人們的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。因此，為了充分發揮LDO優勢，工程師必須深入理解關鍵性能參數及其對特定負載的影響。
本文將從LDO概念到系統，探討LDO的主要性能參數及其在為電子系統中的不同器件提供干凈輸出電壓方面的作用。此外，還將討論在系統優化過程中，設計工程師需考慮的重要因素。
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第一部分：PMOS和NMOS兩種主流架構
低壓差穩壓器（LDO）是一種廣泛應用的穩壓解決方案，能夠在輸入輸出電壓差較小的條件下將較高的輸入電壓轉化為穩定的低電壓輸出。作為一種線性穩壓器，LDO通過調節通道晶體管實現電壓降的優化，類似于自動調節阻值的電子控制可變電阻，以確保在特定輸出電流下穩定的輸出電壓。
LDO提供了一種簡單且高效的穩壓方式，可在提供恒定負載電流的情況下生成穩固的輸出電壓。其設計結構對外部元件的依賴性很低，有助于降低系統復雜性與物料成本。
典型LDO結構僅需少量外部組件，通常包括用于輸入解耦的電容與穩定輸出的電容，而在某些拓撲結構下，還可加入保護二極管，以應對反向電壓情況。這種簡潔、高效的設計使LDO成為多種應用中穩定電壓供應的理想選擇。總結起來，LDO包含四個基本功能元件：
參考電壓源Reference Voltage Source：提供穩定的參考電壓，用于與輸出電壓進行比較；
反饋網絡Feedback Network：從輸出電壓取樣并反饋到誤差放大器
誤差放大器Error Amplifier：比較輸出電壓與參考電壓，并根據差值調節控制元件。
控制元件Control Element：通常是一個功率晶體管（如MOSFET或BJT），調節輸入電壓，以維持穩定的輸出電壓。目前主流的有PMOS和NMOS兩種。
LDO 穩壓器設計通常包含四種不同的通路元件：基于NPN型晶體管的穩壓器、基于PNP 型晶體管的穩壓器、基于N通道MOSFET的穩壓器和基于P通道MOSFET的穩壓器。雖然說NPN、PNP晶體管型穩壓器壓差比MOSFET型更高，但是MOSFET靜態電流（Iq）明顯低于晶體管穩壓器。
所以，綜上，PMOS和NMOS兩種LDO是現如今的主流。
LDO通常易于設計和使用，但在現代應用中，系統往往包含多個模擬和數字模塊，因此選擇適合的LDO需要根據系統特性和工作條件綜合考量。
第二部分：LDO主要性能參數
其實看清楚LDO的本質，可以用一個比喻來理解：想象一只鴨子穿越池塘，水面上看似平靜無波，然而水下的雙腳卻在不停地用力劃動。鴨子越用力，越快耗盡體力，不得不停下。電子電路也類似，當穩壓器更費力地維持穩定電壓時，能耗也隨之增加。因此，關鍵在于選擇一種能高效利用電力、保持穩定的穩壓器，確保性能始終如一。
判別LDO性能的參數很多，想要用好LDO，必須清晰每個性能參數的意思。
壓差
壓差是指在輸入電壓進一步下降，導致LDO不再能進行調節時的輸入至輸出電壓的差值。在此壓差條件下，通路元件工作于線性區，類似于一個電阻，其阻值等于漏極到源極的導通電阻RDS（ON）。如今LDO穩壓器通常使用PMOS或NMOS FET作為通路元件，依據負載條件，可實現30mV～500mV壓差。壓差公式為：
其中，RDS（ON）包含通路元件的電阻、片內互連電阻、引腳電阻和線焊電阻，并可通過LDO 的壓差估算。在壓差模式下，可變電阻接近零，LDO無法調節輸出電壓，輸入電壓及負載調整率、精度、PSRR 和噪聲等參數也不再具備意義。
早期的LDO設計提供大約1.3 V的壓差，這意味著對于5 V的輸入電壓，器件進行調節可實現的最大輸出僅為3.7 V左右。然而，在當今更復雜的設計技術和晶圓制造工藝條件下，'低'大致定義為<100mV到300mV左右。
裕量電壓
裕量電壓是LDO滿足其規格要求所需的輸入與輸出電壓差，通常約為400 mV～500 mV，但某些LDO可能需要高達1.5 V的裕量電壓。數據手冊通常將裕量電壓作為指定其他參數的條件。需要注意的是，裕量電壓不應與壓差混淆，只有在LDO處于壓差模式時，這兩者才會相等。
靜態電流
靜態電流（Iq）是模擬比較常見的一個概念，顧名思義，它指的是是系統處于待機模式且在輕載或空載條件下所消耗的電流。靜態電流適用于大多數集成電路 (IC) 設計，其中放大器、升降壓轉換器和低壓降穩壓器 (LDO) 都會影響消耗的靜態電流量。當LDO完全運行時，采用以下公式進行計算：
靜態電流看似好像費不了多少電，但對于智能手表或者手機等長期處在待機模式的產品來說，LDO靜態電流越小，電池壽命越長。同時，要優化LDO的效率，需盡量降低靜態電流以及輸入與輸出電壓的差值。由于輸入與輸出電壓差直接影響效率和功耗，通常選擇最低的壓差。
接地電流
接地電流 (IGND) 是輸入電流與輸出電流之差，包含靜態電流。低接地電流可以最大化 提高LDO的效率。
對于高性能CMOS LDO，接地電流通常不到負載電流的1%。隨著負載電流增加，接地電流也會增大，因為PMOS調節元件的柵極驅動需增強以補償RON引起的壓降。在壓差區域內，當驅動級進入飽和時，接地電流也隨之增加。對于需要低功耗或小偏置電流的應用，CMOS LDO是理想選擇。
關斷電流
關斷電流指輸出禁用時LDO 消耗的輸入電流。參考電路和誤差放大器在關斷模式下都不上電。較高的漏電流會導致關斷電流隨溫度升高而增加。
效率
LDO 的效率由接地電流和輸入/輸出電壓確定。若需獲得較高的效率，必須最大程度地降低裕量電壓和接地電流。此外，還必須最大程度縮小輸入和輸出之間的電壓差。輸入至輸出電壓差是確定效率的內在因素，與負載條件無關。例如，采5 V電源供電時，3.3 V LDO的效率從不會超過66%，但當輸入電壓降至3.6 V時，其效率將增加到最高91.7%。
噪聲
LDO為電子器件，所以一定會產生噪聲。可以使用兩個方法查看這些噪聲：跨頻率查看噪聲和查看積分值形式的噪聲。要生成不會影響系統性能的干凈電源軌，選擇低噪聲LDO并采取降噪措施非常重要。由于閉環傳遞函數對抑制參考電壓噪聲效果有限，多數低噪聲LDO需要額外的濾波器來阻擋噪聲進入閉環。
除了選擇具有低噪聲特性的LDO，還可以應用一些技術來確保LDO 具有最低的噪聲特性。這些技術涉及到降噪電容器和前饋電容器的使用，或者通過額外的引腳和小電容器來優化輸出噪聲和PSRR性能，濾除帶隙上的噪聲。
電源抑制比(PSRR)
PSRR是常見的技術參數，它規定了特定頻率的交流元件從LDO輸入衰減到輸出的
程度。對LDO來說，100 kHz～1 MHz范圍內的電源抑制非常重要。
電源抑制比 (PSRR) 時常被誤認為是單個靜態值，但事實并非如此。頻率、負載電流、LDO 裕量（輸入到輸出電壓差）、輸出電容、輸入電壓、溫度、LDO架構設計、反饋網絡和補償都會影響到PSRR。對于實際應用來說，僅靠調整VIN - VOUT 和輸出電容，就可以提高特定應用的PSRR，但影響PSRR的因素并不僅限于這兩項，還包括以下參數：
比較LDO的PSRR時，應確保在相同測試條件下進行，特別是考慮裕量電壓和負載電流的影響。此外，PSRR應涵蓋不同頻率，并提供典型的工作性能曲線。輸出電容對高頻PSRR 有影響，較小電容的阻抗較大電容高，因此比較PSRR時，電容的類型和值必須一致，才能確保有效比較。
線性調整率
線性調整率是指在給定輸入電壓變化下的輸出電壓變化。由于線性調整率還取決于通路元件的性能和閉環 DC 增益，在考慮線性調整率時常常不包括壓差操作。因此，線性調整率的最小輸入電壓必須高于壓差。
負載調整率
負載調整率是指在給定負載變化下的輸出電壓變化，這里的負載變化通常是從無負載到滿負載。負載調整率體現了通路元件的性能和穩壓器的閉環DC增益。閉環DC增益越高，負載調整率越好。
瞬態響應
LDO 廣泛應用于對負載調節要求較高的領域，如數字IC、DSP、FPGA和CPU等，這些應用需要LDO快速響應，以保持電壓穩定。瞬態響應是LDO的關鍵性能參數，包含負載瞬態響應和線路瞬態響應。
負載瞬態響應是指負載電流變化時輸出電壓的變化，受輸出電容、ESR、LDO控制環路帶寬和負載電流變化速率的影響。變化速率較慢時，LDO可跟蹤變化，但過快時可能導致異常行為，如過大振鈴。
線路瞬態響應是指輸入電壓變化時輸出電壓的變化，受LDO控制環路帶寬和輸入電壓變化速率的影響。輸入電壓變化緩慢時，可能隱藏振鈴或異常行為。
瞬態響應主要取決于閉環傳遞函數的帶寬，為了優化響應，閉環帶寬應盡可能高，同時保持足夠的相位余量確保系統穩定性。
以上參數在實際應用中都非常重要，不過，如果想要評估一款高性能LDO芯片主要有3個標準：一是電源對噪聲的抑制比，二是LDO自身輸出噪聲及對負載變化的瞬態相應能力，三是在高精密傳感器應用中，溫度漂移是否足夠小。
第三部分：廠商的產品情況
知道以上參數以后，我們就可以從廠商實際產品中進一步消化這些參數，畢竟廠商宣傳的參數肯定是最關鍵的那幾個。
雖然LDO不是什么高性能的IC，但LDO芯片市場競爭異常激烈。主要廠商包括TI、ADI、ST、ONsemi、Infineon、Microchip、Diodes、Rhom等。
TI的LDO產品非常豐富，可以幫助應對幾乎所有的穩壓器設計挑戰，為敏感的模擬系統供電到延長電池壽命。解決方案包括業界首款智能AC/DC線性穩壓器，以及低噪聲、寬輸入電壓范圍（VIN）、小封裝尺寸和低靜態電流 (Iq) 等多種功能，整體特點是低噪聲、低Iq、高功率密度。TI的分類方法是電壓范圍，除了低噪聲、低Iq、小型化等，TI還單門將汽車分為一類。
ST的LDO主要分為三個系列：高PSRR LDO穩壓器、低 Iq LDO 穩壓器、超低壓差 LDO 穩壓器。其產品特性為低壓差、低靜態電流（低 IQ）、快速瞬態響應、低噪音、良好的紋波抑制。
英飛凌提供多種類型的線性穩壓器 （LDO），包括高精度電壓器跟隨器、可變線性穩壓器、超低靜態電流穩壓器 (LDO) 和高性能穩壓器。與開關電源不同，低靜態電流穩壓器不能與降壓或升壓轉換器一起使用。降壓和升壓轉換器能夠分別對電壓 “降壓” 或 “升壓” 電壓。它們不能與線性穩壓器配合使用，因為輸入電壓必須始終大于輸出電壓。
瑞薩是低壓差穩壓器 (LDO) 主要供應商，提供配備世界頂尖單 LDO、雙 LDO 的低功耗手持應用，具有高達 3MHz 的超高 PSRR、低輸入電壓范圍、緊湊封裝，以及超低噪音和靜態電流等特點。瑞薩電子的高電流 LDO 最高支持 3A 電流，擁有業內領先的快速負載瞬態響應、全負載和全結溫最密集電壓輸出精度和同級最低遺失電壓。此外，瑞薩電子的低成本線性穩壓器還可從電信和數據通信中常用的中間配電電壓產生低壓偏置電源。這類器件可用作啟動或連續低功耗穩壓器。
ADI制造各種各樣的高性能低壓降 (LDO) 線性穩壓器。這些 LDO 線性穩壓器提供極低壓差、快速瞬態響應和出色的線路和負載調整，并具有在有線/無線和音頻系統、FPGA/DSP/μC 電源以及 RF 和儀器儀表領域的最終應用中增加性能價值的功能。我們各式俱全的 LDO 線性穩壓器具有各種各樣的杰出特性，可滿足任何設計中需求，無論是需要低噪聲、高 PSRR 還是緊湊封裝。
最近幾年，也誕生了越來越多的精品國產LDO。比如，納芯微、思瑞浦、矽力杰、力芯微電子、藍箭電子、立锜科技、特瑞士、友臺半導體、思旺電子等。
參考文獻
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