LDO 从原理到应用（一）：低压差线性稳压器到底是怎么工作的？

LDO 从原理到应用（一）：低压差线性稳压器到底是怎么工作的？

文章目录

• LDO 从原理到应用（一）：低压差线性稳压器到底是怎么工作的？
• • 一、什么是 LDO？
  • 二、LDO 和普通线性稳压器有什么区别？
  • 三、LDO 的基本内部结构
  • 四、LDO 是如何实现稳压的？
  • 五、负载突然变化时会发生什么？
  • 六、Pass FET 是干什么的？
  • 七、什么是 Dropout Voltage？
  • 八、为什么 LDO 会发热？
  • 九、LDO 的效率为什么不高？
  • 十、为什么 LDO 需要输入、输出电容？
  • 十一、LDO 最适合用在哪里？
  • • 1. MCU 电源
    • 2. 模拟电路
    • 3. 传感器
    • 4. PLL、时钟、RF 等低噪声电路
  • 十二、总结

一、什么是 LDO？

LDO，全称 Low Dropout Regulator，中文叫低压差线性稳压器。

它的作用很简单：

将较高的直流电压转换成稳定的较低直流电压。

例如：

5V → 3.3V
3.3V → 1.8V
1.8V → 1.2V

在嵌入式系统中，LDO 经常用于给 MCU、传感器、ADC、DAC、通信芯片以及模拟电路供电。

一个典型的电源结构可能是：

24V
│
▼
DC/DC
│
▼
5V
│
▼
LDO
│
▼
3.3V
│
├── MCU
├── Sensor
└── ADC

LDO 本质上仍然属于线性稳压器，它最大的特点是：输入电压可以比较接近输出电压时，仍然能够维持稳定输出。

二、LDO 和普通线性稳压器有什么区别？

传统线性稳压器，例如经典的 7805，也可以完成：

12V → 5V

但是它需要输入电压明显高于输出电压。

LDO 则可以将这个压差做得很小。

例如一个 LDO：

VOUT = 3.3V
Dropout = 0.2V

那么只要：

VIN ≥ 3.5V

理论上就可以维持 3.3V 输出。

这就是 Low Dropout，也就是低压差。

需要注意的是，Dropout 并不是一个固定不变的值，它通常与输出电流、温度以及芯片本身有关。

三、LDO 的基本内部结构

一个典型 LDO 可以简化为：

VIN
│
▼
┌──────────┐
│ 功率管 │
│ Pass FET │
└────┬─────┘
▼
VOUT
│
LOAD
│
GND

VOUT
│
▼
反馈分压
│
▼
误差放大器 ←── VREF
│
│ 控制
▼
Pass FET

LDO 的核心主要包括四部分：

其中最关键的是：

负反馈。

四、LDO 是如何实现稳压的？

假设一个 LDO 要输出：

VOUT = 3.3V

芯片内部存在一个稳定的参考电压，例如：

VREF = 1.2V

输出端通过两个电阻进行分压：

VOUT
│
R1
│
├────→ FB
│
R2
│
GND

反馈电压：

VFB = VOUT × R2 / (R1 + R2)

误差放大器不断比较：

VFB
│
├────→ 误差放大器
│
VREF

当：

VFB = VREF

系统达到稳定状态。

对于常见的可调 LDO：

VOUT = VREF × (1 + R1/R2)

因此修改反馈电阻，就可以改变输出电压。

五、负载突然变化时会发生什么？

假设 LDO 输出 3.3V，原来的负载电流为 100mA。

突然变成：

500mA

由于负载电流突然增加，输出电压会出现瞬间下降。

整个过程大致是：

负载电流增加
↓
VOUT下降
↓
VFB下降
↓
误差放大器检测到误差
↓
调整Pass FET
↓
输出电流增加
↓
VOUT恢复

因此 LDO 并不是简单地“把电压压低”。

它实际上是通过一个闭环控制系统，不断检测输出电压并调整功率管。

六、Pass FET 是干什么的？

Pass FET，也就是功率调整管，是 LDO 中非常重要的器件。

可以把它简单理解成一个：

由误差放大器控制的可变电阻/电子阀门。

例如：

VIN
│
▼
┌───────┐
│ Pass │
│ FET │ ← 控制
└───┬───┘
│
▼
VOUT

当输出电压偏低时，误差放大器会让 Pass FET 提供更多电流。

当输出电压偏高时，则减少导通程度。

现代 LDO 中常见的 Pass FET 包括 PMOS 和 NMOS 等结构。

七、什么是 Dropout Voltage？

Dropout Voltage，简称 VDO，中文叫压差。

可以简单理解为：

LDO 保持正常稳压所需要的最小输入输出电压差。

例如：

VOUT = 3.3V
VDO = 200mV

那么：

VIN ≥ 3.5V

才能正常维持 3.3V。

如果输入继续下降：

VIN = 3.4V

那么：

VIN – VOUT = 100mV

已经小于规定的 Dropout Voltage。

此时 LDO 会逐渐失去稳压能力：

VIN下降
↓
进入Dropout区域
↓
VOUT开始下降

所以在设计电源时，一定要保证输入电压在最差情况下仍然满足：

VIN(min) > VOUT + VDO

八、为什么 LDO 会发热？

这是 LDO 最明显的缺点。

LDO 的功率损耗近似为：

PLOSS = (VIN – VOUT) × IOUT

例如：

VIN = 5V
VOUT = 3.3V
IOUT = 1A

那么：

PLOSS = (5 – 3.3) × 1
= 1.7W

这 1.7W 基本都会变成热量。

如果是：

12V → 3.3V
1A

那么：

PLOSS = (12 – 3.3) × 1
= 8.7W

对于普通小封装 LDO 来说，这样的功耗通常是无法接受的。

因此大压差、大电流应用一般采用：

高压
│
▼
DC/DC
│
▼
较低电压
│
▼
LDO
│
▼
低噪声电源

而不是直接：

高压 → LDO → 低压

九、LDO 的效率为什么不高？

忽略静态电流时，LDO 效率可以近似计算：

η ≈ VOUT / VIN

例如：

VIN = 5V
VOUT = 3.3V

则：

η ≈ 3.3 / 5
≈ 66%

如果：

VIN = 12V
VOUT = 3.3V

则：

η ≈ 27.5%

因此 LDO 并不是为了追求高效率而存在的。

它真正的优势在于：

• 电路简单
• 噪声低
• 纹波小
• PSRR 较高
• 响应速度快
• 外围器件少
• 成本低

十、为什么 LDO 需要输入、输出电容？

典型 LDO 电路：

LDO
│
VIN ─────────→│────────→ VOUT
│ │ │
Cin │ Cout
│ │ │
GND ──────────┴────────────GND

输入电容 Cin 主要用于：

• 降低输入端阻抗
• 抑制输入电源扰动
• 提供瞬态电流

输出电容 Cout 则非常重要，它可能直接影响：

• 环路稳定性
• 输出纹波
• 瞬态响应
• 启动特性

因此设计 LDO 时不能简单认为：

“只要放一个电容就行。”

必须按照数据手册要求选择电容容量、类型以及 ESR。

十一、LDO 最适合用在哪里？

LDO 特别适合：

1. MCU 电源

5V → LDO → 3.3V → MCU

2. 模拟电路

5V → LDO → 3.3V_A → ADC

3. 传感器

5V → LDO → 3.3V → Sensor

4. PLL、时钟、RF 等低噪声电路

这些电路对电源噪声比较敏感，因此经常使用低噪声 LDO。

十二、总结

LDO 的工作原理可以浓缩成一句话：

通过参考电压、误差放大器、反馈网络和 Pass FET 构成闭环负反馈，使输出电压稳定在目标值。

理解 LDO 最重要的几个概念：

LDO
│
┌─────────┼─────────┐
↓ ↓ ↓
Dropout PSRR Noise
│ │ │
压差能力 抗纹波 输出噪声

同时一定要记住：

PLOSS = (VIN – VOUT) × IOUT

这条公式基本决定了 LDO 的使用边界。

下一篇将继续介绍常用 LDO 芯片型号、关键参数以及实际工程中的选型方法。