工程師一定要掌握的LDO工作原理

無(wú)論什么電子產(chǎn)品，都必須用到電源，在移動(dòng)端消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，常用的有DCDC電源和LDO電源兩種，DCDC的優(yōu)點(diǎn)是效率高，但是噪聲大；LDO正相反，它是效率低，噪聲小。

今天我們來(lái)介紹下LDO的基本工作原理，仿真一個(gè)簡(jiǎn)單的LDO模型，都是滿(mǎn)滿(mǎn)的干貨。

1. LDO分類(lèi)

常見(jiàn)的LDO是由P管構(gòu)成的，LDO效率比較低，因此一般不會(huì)走大電流。針對(duì)某些大電流低壓差需求的場(chǎng)合，N管LDO應(yīng)運(yùn)而生。下圖是PMOS和NMOS LDO的系統(tǒng)框圖對(duì)比。我們暫且忽略系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，把目光集中到LDO調(diào)節(jié)穩(wěn)定的工作過(guò)程，下面我們就先看下PMOS LDO的基本工作流程。

2. LDO工作流程

當(dāng)Vout由于負(fù)載變化或其他原因電壓下降時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)分壓電阻兩端的電壓也會(huì)下降，進(jìn)而A點(diǎn)電壓下降，A點(diǎn)的電位和Vref電位相比較，誤差放大器會(huì)減小它的輸出，使得G電位下降，Vs電壓不變，進(jìn)而使得|Vgs|的壓差增加（我們用Vgs和Vds的絕對(duì)值描述PMOS更直觀），輸出電流Isd會(huì)增加，輸出電流Isd增加就會(huì)使得Vout上升，完成一次反饋控制，使得Vout又回到正常電位。

總結(jié)過(guò)程如下：

Vout↓——>Va↓——>Vg↓——Iout↑——>Vout↑

PMOS驅(qū)動(dòng)

下圖是PMOS的輸出特性曲線(xiàn)，是PMOS本身的一個(gè)特性，根據(jù)G、D、S電壓不同，MOS會(huì)工作在不同的區(qū)域，即可變電阻區(qū)、飽和區(qū)(恒流區(qū))、截至區(qū)。LDO中的MOS是工作在恒流區(qū)的。

順著下圖綠色箭頭指示方向|Vgs|逐漸上升，Ids跟著|Vgs|上升而上升，而這段區(qū)域內(nèi)不管Vds怎么變Id基本不變，換句話(huà)說(shuō)，恒流區(qū)內(nèi)，Ids受Vgs控制，因此基于MOS的放大器有時(shí)也被叫做跨導(dǎo)放大器。

4. LDO動(dòng)態(tài)調(diào)整

讓我們?cè)僭敿?xì)來(lái)一次，若Vout異常降低，Vout-Vin=Vd-Vs=Vds，|Vds|上升(Vds<0)，在輸出特性曲線(xiàn)中體現(xiàn)為，由狀態(tài)工作點(diǎn)C轉(zhuǎn)移到D。緊接著反饋回路開(kāi)始發(fā)揮作用，由于Vout下降，則Va降低，運(yùn)放會(huì)使得Vg下降，Vg-Vs=Vg-Vin=Vgs，|Vgs|也上升（|Vgs|<0)，在Vgs驅(qū)動(dòng)下Iout會(huì)慢慢上升，在輸出特性曲線(xiàn)恒流區(qū)內(nèi)體現(xiàn)為由 C向狀態(tài)工作點(diǎn)D轉(zhuǎn)移。當(dāng)Iout=Id隨著Vgs上升時(shí)，Vds慢慢減小，最終Vout又上升回來(lái)，完成了一次完整的反饋控制。

5. LDO仿真

下圖是使用multisim仿真的電路，LDO為5V轉(zhuǎn)3.3V，當(dāng)輸出變化時(shí)，會(huì)通過(guò)A點(diǎn)反饋至MOS的G極，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出。

下圖是LDO輸出的電壓和電流波形，紅色是電壓，綠色是電流。

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