单片机ldo LDO的前世今生|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

LDO的前世今生

众所周知，开关电源的效率很高，但是输出电压有纹波，噪声很大，不能直接接入单片机控制电路中，而一般选择的方案都是在开关电源的输出端接一级LDO低压差线性稳压电源，可以保证输出到单片机中的电压很稳定，而且在进行AD采样时减小误差，如果直接把开关电源输出接到单片机的供电端，由于开关电源的输出电压有纹波会导致AD采样不准确，另一个最大的隐患就是会直接烧毁单片机，为什么会这样呢？

假设开关电源短路或者故障，一般情况下都是输入电压等于输出电压，这么一个高的电压直接接到单片机的电压输入端会瞬间损毁单片机，且给维修带来很大的麻烦，如果把开关电源的输出端接一个低压差线性稳压电源，可以起到保护单片机的作用，低压差线性稳压电源起到一个缓冲的做用。

下面介绍一下低压差线性稳压电源。

LDO是低压差线性稳压器，简称线性稳压电源。低压差线性稳压器，工作原理是一个工作在线性区的晶体管或者MOSFET,由两个电阻构成的分压，经过放大器放大后，与VREF进行对比，实现对VOUT的调整。在电子电路设计过程中，大大小小的电路板基本上都会用到低压差线性稳压电源，因为低压差线性稳压电源具有输出精度高，电路简单，价格低等优势。

如果想要使用分离器件搭建一个低压差线性稳压电源那需要怎么操作呢？

首先我们要知道低压差线性稳压电源的输入输出电压需要有一个最低压差至少需要输入高于输出电压2V---3V.

假设我们现在要设计一个输出+5V、100mA的电源，输入电压+12V，那看一下图一这个电路图，稳压管D101是一个5V1的，实际浮动电压是5V1---5V2，因为稳压管的精度不高，我们就认为是输出5V，而稳压管需要正常工作的话需要流过稳压管的电流2mA以上或者稳压管上的电压高于标称电压，那我们看一下输出电压确定下来了，那100mA的电流怎么确定呢？是不是由这个R101限流电阻决定电流的大小呢？

即：R101=（Vin-Vo）/Io=(12V-5V)/100mA=70Ω，如图二示，那R101上的功率是多少呢？Pr=Io*Io*R101=0.1*0.1*70=0.7W，那这个0.7W的功率消耗就白白浪费掉了，这不是我们希望看到的，那这个电路怎么改进呢？我们知道什么器件有放大电流的能力啊，是不是三极管呢？

那我们来改进一下这个电路。

（▲图一）

（▲图二）

看一下图三这个变化后的电路图，在稳压管的基础上加了一个三极管放大电流，降低功耗,我们一起来分析一下这个电路的工作过程，假设三极管放大倍数β=100.

首先看一下稳压管这个电路，稳压管要想工作稳定需要流过至少2mA的电流，流过电流越大稳压管电压越稳定，而想要三极管上流过100mA的电流，则Ib需要保持1mA,那也就是说支路I上至少流过3mA的电流，为了电压稳定我们取4mA.

（▲图三）

计算R102=(vin-5v8)/4mA=(12V-5V8)/4mA=1.55K,我们取一个标称的电阻值R102=1K5,重新计算一下电流I=(vin-5v8)/1K5=(12V-5V8)/1K5=4.1mA电流,稳压管分的3mA，Ib分1mA电流，如图四示，也是可以接受的。

（▲图四）

那确定完电阻值后，来看一下这个三极管如何选择？首先需要Ic能流过100mA的电流，那选择三极管的Ic时需要留有余量,一般情况留1.2倍余量就可以，也就是说选择的时候Ic电流至少是120mA，那三极管上的压降是多少呢？

输入12V,输出5V三极管压降7V，Pq=U*I=7V*120mA=840mW,那来看一下长电的NPN型三极管PZT2222A（这里只是举例说明，并无宣传之意）

（▲图五）

看图中红框内容：Veb是指射极到基极的反向耐压，使用三极管时一定要注意这个电压值，否则一不小心就损坏三极管，并且是不可逆的，Ic=600mA，而我们需要的是120mA,那Ic电流没有问题，Pc=1W,而我们需要840mW，也是满足要求的并且留有余量，三极管封装SOT-223，绘制PCB图时注意引脚顺序需要和原理图一一对应。

电路参数确定后，如图六示，来分析一下这个电路实际运行的过程：12V电源通过R111给稳压管和是三极管基极供电，稳压管流过2mA电流，稳压管被反向击穿，生成一个5V8的电压在三级管的基极，而Ib=1mA那Ic=Ib*β=100mA,Ic给后面的电容充电，直到充到5V，那为什么后面的输出电压是5V而不是4V或6V呢？

来看一下三极管基极和射极的关系，是不是射极跟随电路，那E极电位跟随B极电位有一个0.7V的压降，B极是稳压管的电压5V7，那E极就是5V.

（▲图六）

如图七所示后极负载有时候并不是稳定的，假设后极负载内阻突然间减小，需要消耗200mA电流，那三极管是不是无法提供，因为我们设计的Ic只有100mA,那只有后级电容来提供这个瞬间大电流的消耗了，那输入电流小于输出电流那电容上的电压是会往下降的，B极电压相对来说是稳定不变的，那E极电压降低只能是Vbe增大，而Ib也会随之增大Ib增大会让Ic跟随增大，假如此时E极电位高于5V，为5V2时由于B极电位不变，E极电位上升那Vbe减小，Ib也降低，Ic也会降低，E极电位随之下降，假设E极降至4V9那又会引起Vbe增大，E点上升，经过几次调节之后最终电容上会输出一个波动的5V，在加一个104小电容进行一次滤波会使得输出更平稳些。

（▲图七）

稳压管的稳压精度不是很好，虽然稳压管内部有结电容，但是稳定的电压还是波动很大，而我们这里B极，电压波动势必会影响输出电压，那怎样才能使稳压管的输出电压稳定呢？

电容两端电压不能突变，具有稳压作用，所以需要在稳压管的两端接一个小电容稳定一下电压，这样分立器件搭建的LDO电路输出会更稳定，同时可以在三极管上反向并联一个二极管，二极管使用普通1N4148就行，用于掉电时候对输出电容快速放电，放电回路是输出电容对电源地放电，最终电路下图八示。

（▲图八）

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一文读懂LDO 工作原理及其应用实例

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 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 发热先来介绍一下LDO 效率，当对地电流相对于 Iout 半小时，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 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：