前要知识

• 零基础入门篇2——电源网络 ： 该文讲解了电源网络的知识，说明了LDO降压模块在电路中承担着生成电源轨的作用。
• 信号篇1——运算放大器基础介绍 ： 该文讲解了深度负反馈下，系统放大系数由

LDO的原理

在电源网络一节讲过，直流供电的电源轨电压应是恒定的。降价模块则是将一路电源轨输入，输出一路电压更低的新电源轨。

想要从高电压变到低电压（比如从5V到3.3V），最直接的想法就是电阻串联分压。比如下图就是一个最简单的串联分压。

根据电源网路的知识，将电源轨$V_{IN}$转换为电源轨$V_{OUT}$的电阻$R_1$就是“降压模块”，电源轨$V_{OUT}$对地之间的电阻$R_2$就是负载（用电器）。

那么最简单的一个降压模块就被设计出来了，接下来需要做的，就是改进这个电源模块。

根据初中的电学知识：
$$\begin{array}{c}{R}_1=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{V_{IN}}{R}_2\end{array}$$
因为电源轨的电压不变，所以$\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{V_{IN}}$是个常数，即$R_1\propto R_2$（$R_1$正比于$R_2$），似乎只需要讨论负载的特征就可以了。

可不幸的是负载如果是个芯片，设计者是没有办法得到确切阻值的，甚至，这个阻值是时刻改变的。

为了解决这个问题，需要引入两个方案

1. 把电阻变为“可调电阻”，以满足在不同负载下调节需求；
2. 通过反馈回路来确保电路的电压输出的稳定。

晶体管作为可调电阻

对于第一点，需要一个能用电学参数控制的可调电阻，这个通常是由晶体管负责，不论是NPN，PNP三极管还是NMOS、PMOS，都可以作为这个电阻。

不过考虑到三极管（NPN和PNP）功耗过大，NMOS导通要求过高（这个会在BUCK的导通问题中提到），所以一般是使用PMOS较多。

PMOS原理图如上图所示。

PMOS工作在饱和区的时候是一个电压控制的电流源，GS之间的电压控制着D流向S的电流，即：
$$\begin{array}{c}{g}_m=\frac{I_D}{V_{GS}}\end{array}$$
式中，$g_m$指PMOS管的跨导，是个常数。$I_D$是流经PMOS的电流，也是供给给负载的电流。

替换后，电路图如下所示：

结合式（1）和（2）可得：
$$\begin{array}{c}{V}_{GS}\cdot g_m=I_D=\frac{V_{OUT}}{R_2}\\ =>V_{GS}=\frac{V_{OUT}}{g_m}\cdot \frac{1}{R_2}\end{array}$$
式（4）中$V_{OUT}$和$g_m$是常数，因此PMOS的栅极控制电压和负载之间呈反比例关系。

运放构成反馈

为了控制输出端的电压，需要引入反馈来稳定：

将输出电压$V_{OUT}$和参考电压$V_{REF}$相比，产生控制PMOS栅极的控制电压，以实时调整输出电压。
当反馈稳定后，根据运算放大器的虚短，可以知道$V_{OUT}=V_{REF}$。

当然，一般参考电压$V_{REF}$不会太高，此时会用串联分压减小$V_{OUT}$的输入。其原理图如下所示：

现在输出电压$V_{OUT}$和参考电压$V_{REF}$的关系为：
$$\begin{array}{c}\frac{V_{REF}}{R_2}=\frac{V_{OUT}}{R_1+R_2}\end{array}$$
以上便是LDO的基本原理。
市场上的LDO芯片也是在这个基础上增加了其他的操作和功能。

LDO芯片举例

对于LDO芯片，有两种处理方式，一种是将分压电阻$R_1$、$R_2$作为外置电路放在芯片外面（左图），一种是作为内部电路，放在芯片内部（右图），示意图如下：

引脚命名如红字所示，唯一的差别是ADJ/GND引脚的接法不同，导致的命名不同。
ADJ类型芯片的优点是，反馈回路可以由使用者调整，输出电压多种多样较为灵活。
GND类型芯片的优点是，厂家精心调教过反馈电阻值，输出电压的精度有保障。

AMS1117

AMS1117是最经典的LDO型号，有多个厂家生产过，每个厂家在设计时会略作调整，但使用时区别不大。
以下我们以华冠的数据手册为例，讲解该芯片，其功能方框图如下所示：

根据右下角的文字，当F1和F2连接，A不连接时，两个电阻便接入了电路，那就是上面示意图右侧的，固定的（fixed）电压输出：

反之，只接入A时，我们需要额外的在外部添加电阻，就是上面示意图左侧的，可调的（adj，adjustable）电压输出：

典型的固定输出电压产品名称有：AMS1117-5.0、AMS1117-3.3、AMS1117-1.8
典型的可调输出电压产品名称有：AMS1117-ADJ

RT9013

RT9013的功能方框图如下图所示：

当把上电复位（POR），电流保护（Current Limit）删除后，就能看到上面讲解的LDO结构：

从这里也可以看出，RT9013是内部的分压电阻，属于固定输出电压芯片。

加上上电复位后是的该芯片能被控制是否输出电压，使得操控性能更佳。

典型的固定输出电压产品名称有：RT9013-33GB

LDO使用事项

LDO输出电容

LDO内部的运算放大器对于高频信号的放大会产生相位翻转180°，导致负反馈变成正反馈，这会导致自激振荡。

所以需要使用较大的输出电容来滤除输出信号的高频信号。

一般LDO的输出电容不会小于1$\mu$F

LDO热功耗

在最开始介绍LDO原理时候就说过，LDO的本质是电阻，电阻是将电能转换为热能的元件，在使用电阻时候我们需要格外注意散热性能。

和电阻一样，LDO的封装基本就决定了LDO的散热功率，使用者需要注意的无非是发热功率。

LDO的功率分为两部分，一部分是直接耗散在晶体管（一般是PMOS）上的$W_A$，另一部分是消耗在反馈回路的$W_F$，显然前者会占总功耗的大头，用公式表达即：
$$\begin{array}{c}W=W_A+W_F=(V_{IN}-V_{OUT})\times I_{OUT}+V_{IN}\times I_Q\end{array}$$
式中，$V_{IN}$是输入电压，$I_{OUT}$是输出电流，$V_{OUT}$是输出电压，$V_{OUT}$是输出电压，$I_Q$是静态电流。
其中静态电流$I_Q$可视为一个常数。

所以我们需要讨论的是前面的$(V_{IN}-V_{OUT})\times I_{OUT}=\Delta V\times I_{OUT}$，也就是：

• 低压降，才能高电流
• 小电流，才能高压降

这也是LDO的使用核心！

有些芯片可以从24V降到5V，但同样的电流只有50mA；有些芯片可以到500mA，但是只能满足5V降为3.3V。

在数据手册上面会给出芯片的最大耐压，和最大耐流，这只是基于芯片材料而言的，并不代表芯片能同时稳定工作在最大电压，最大电流下！

总结

本节，简单讲述了LDO的工作原理，从电源结构到芯片举例，阐述了芯片的内部构造。并给出了使用事项，这些都是有人犯过错的点，记录下来以避免后人犯错。

后记

这是我硬件入门电源篇的一节，如果你也想入门硬件，欢迎来看我的博文。

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