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LDO的基本構架和工作原理

發(fā)布時間:2023-05-24 責任編輯:lina

【導讀】LDO,全稱低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator),屬于線性電源,應用時所需要的外接元件較少,一些型號的LDO只需在輸入端和輸出端各接一個濾波電容。


LDO,全稱低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator),屬于線性電源,應用時所需要的外接元件較少,一些型號的LDO只需在輸入端和輸出端各接一個濾波電容。

通過電阻R1、R2對輸出電壓進行采樣,將采集的電壓與基準電壓(期望輸出電壓值)進行比較、放大,再通過PMOS管柵極(PNP三極管基極)反饋給輸入部分,通過調節(jié)晶體管的導通壓降進行動態(tài)的輸出穩(wěn)壓。

注意:① 無論晶體管是PMOS還是PNP,一定要工作在線性區(qū)(放大狀態(tài))。② 由于晶體管的導通壓降很小,輸入輸出電壓的差值可以降至很小,所以稱之為低壓差③ 負反饋的拓撲決定了LDO的輸出電壓十分穩(wěn)定。 

LDO在鋰電池充電器中的應用


LDO的基本構架和工作原理


如上圖所示,在鋰電池充電器中,隨著鋰電池的使用時間增加,可能使得鋰電池的電壓逐漸降低,而應用電路則需要一個穩(wěn)定的供電電壓,如2.5V,這樣,只需在鋰電池和應用電路之間加入一個LDO,當LDO的輸入電壓在工作電壓變化范圍內時,LDO的輸出電壓都是穩(wěn)定的(2.5V),此時就可以通過LDO的輸出電壓對應用電路進行供電。LDO的應用范圍很廣,然后,現(xiàn)在的LDO仍然存在很多技術指標上的不足,例如:Dropout電壓比較大,靜態(tài)電流比較大,轉換效率低,輸出電流較小等,為了彌補這些技術指標的不足之處,LDO朝著以下幾個方向發(fā)展: (1)Dropout電壓越來越低;(2)靜態(tài)電流越來越?。?3)輸出電流越來越大;(4)輸出噪聲越來越低;(5)電容所需數(shù)量越來越少;(6)附加功能越來越完善;(7)封裝面積越來越小; 其中輸出大電流方向是LDO發(fā)展的一個重要方向,因此,本文主要研究LDO的大電流,高穩(wěn)定性方向。

LDO的基本構架和工作原理

LDO是一種直流降壓型的線性穩(wěn)壓器,其在輸入電壓或者負載電流發(fā)生變化的情況下仍然可以保持穩(wěn)定的輸出電壓。

如今的LDO電路具有體積小,噪聲低,功耗低,價格低廉,使用方便等特點,但其基本的結構比較簡單,包含了電壓基準源(VREF),誤差放大器(EA),調整管(MPASS),反饋電阻(Rl,R2)四個模塊,如下圖所示。其中: 


LDO的基本構架和工作原理


電壓基準源為誤差放大器提供了高精度的基準電壓,誤差放大器、調整管以及反饋電阻組成了LDO的控制環(huán)路,當輸入電壓或者負載電流變化的時候,輸出電壓VoUT也要做出相應的變化,此時LDO通過它的控制環(huán)路的負反饋調節(jié)作用可以抑制輸出電壓Votrr的變化。

如圖下所示,當輸出電壓降低時,通過反饋電阻R1,R2的分壓作用,反饋電壓VFB也相應的降低,基準電壓源于誤差放大器的反向輸入端提供了穩(wěn)定的參考電壓,反饋電壓VFB接誤差放大器的正向輸入端,誤差放大器的輸出電壓VEA相應減小。

之后調整管MPASS的柵極電壓降低,柵源電壓差值增加,漏極電流增加,輸出電壓Votrr相應增加,抑制了輸出電壓Votrr的降低,從而保持在穩(wěn)定的輸出。

誤差放大器用來比較輸出反饋取樣信號與基準電壓,并將差值信號經放大后,輸出到調整管的柵極,控制調整管的工作狀態(tài),使輸出電壓保持穩(wěn)定。其在LDO線性穩(wěn)壓器中與調整管一起可被看作跨導放大器,其跨導直接影響穩(wěn)壓器的電壓調整率和負載調整率特性。降低電壓調整率和負載調整率需增大跨導,而這勢必會增大電路中的偏置電流。

但是還必須滿足低靜態(tài)電流流過的要求:LDO穩(wěn)壓器的輸出阻抗比較高,受負載的影響較大,容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通常利用輸出電容的等效串聯(lián)阻抗(ESR)進行頻率補償改善其穩(wěn)定性。 誤差放大電路通過采樣電阻得到與輸出電壓Vout成比例的反饋電壓Vfb,將Vfb與基準電壓Vref進行比較,輸出一誤差放大信號Vdrive,從而控制調整管M1(PMOS管)柵極電位,實現(xiàn)對M1輸出電流的調節(jié),使Vout穩(wěn)定;同時通過采用動態(tài)零點頻率補償保證了穩(wěn)壓器工作的穩(wěn)定性。 在深度負反饋中,LDO線性穩(wěn)壓器的輸出電壓僅僅取決于控制環(huán)路的電阻比值和基準電壓(VREr),而與輸入電壓以及負載電流等其他參數(shù)的大小無關,在一定范圍的電源電壓下,若要增大LDO的輸出電壓,則需減小反饋系數(shù)(F)或增大基準電壓(VREF),這需要根據實際電路的輸出電壓要求來確定。


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