低壓降穩(wěn)壓器LDO工作原理詳解-KIA MOS管

低壓降穩(wěn)壓器原理

低壓降穩(wěn)壓器LDO，即低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，是一種在輸入電壓與輸出電壓壓差很小的條件下能正常工作的穩(wěn)壓器。其核心作用是在電路中維持穩(wěn)定的電壓輸出，即便在輸入電壓與輸出電壓差異較小的情況下也能保持高效工作。

LDO是一個(gè)微型的片上系統(tǒng)，它由具有極低在線(xiàn)導(dǎo)通電阻RDS(ON）的MOSFET電源調(diào)整管、肖特基二極管、取樣電阻、分壓電阻、輸出過(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、精密基準(zhǔn)源、差分放大器、延遲器等專(zhuān)用晶體管電路集成在一個(gè)芯片上而成。

低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的原理，首先是利用反饋機(jī)制來(lái)感知輸出電壓的變化。當(dāng)輸出電壓偏離設(shè)定值時(shí)，LDO會(huì)通過(guò)調(diào)整其內(nèi)部電路的工作狀態(tài)來(lái)糾正這種偏差，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定性。其次，LDO采用線(xiàn)性調(diào)節(jié)方式，這意味著它的輸出電壓與輸入電壓之間保持線(xiàn)性關(guān)系，使得在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓能夠得到有效的控制。

低壓降穩(wěn)壓器LDO的結(jié)構(gòu)和工作原理

LDO=low dropout regulator，低壓差+線(xiàn)性+穩(wěn)壓器。

低壓差：輸出壓降比較低，例如輸入3.3V，輸出可以達(dá)到3.2V。

線(xiàn)性：LDO內(nèi)部的MOS管工作于線(xiàn)性電阻。

穩(wěn)壓器：說(shuō)明了LDO的用途是用來(lái)給電源穩(wěn)壓。

以PMOS LDO為例：

LDO的內(nèi)部通常由四個(gè)主要部件構(gòu)成：分壓取樣電路、基準(zhǔn)電壓、誤差放大電路和晶體管調(diào)整電路。

分壓取樣電路： 通過(guò)電阻R1和R2對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集；

基準(zhǔn)電壓： 通過(guò)bandgap（帶隙電壓基準(zhǔn)）產(chǎn)生的，目的是為了溫度變化對(duì)基準(zhǔn)的影響小；

誤差放大電路： 將采集的電壓輸入到比較器反向輸入端，與正向輸入端的基準(zhǔn)電壓（也就是期望輸出的電壓）進(jìn)行比較，再將比較結(jié)果進(jìn)行放大；

晶體管調(diào)整電路： 把這個(gè)放大后的信號(hào)輸出到晶體管的控制極（也就是PMOS管的柵極或者PNP型三極管的基極），從而這個(gè)放大后的信號(hào)（電流）就可以控制晶體管的導(dǎo)通電壓了，這就是一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)回路。

LDO工作原理：

輸出電壓下降

首先，輸出電壓(Vout)就好比是供水系統(tǒng)最終提供給用戶(hù)的水壓。當(dāng)因?yàn)橐恍┰颍ū热缬懈嗟乃堫^被打開(kāi)，也就是負(fù)載變化，或者其他一些問(wèn)題）導(dǎo)致輸出電壓(Vout)下降時(shí)，就好像是水壓變小了。

電路中的兩個(gè)串聯(lián)分壓電阻呢，就像是兩個(gè)連著的 “小水管”，它們會(huì)把輸出電壓 “分” 一部分出來(lái)。當(dāng)輸出電壓(Vout)下降時(shí)，這兩個(gè) “小水管” 兩端的電壓也會(huì)跟著下降，也就是 A 點(diǎn)的電壓下降了。

與基準(zhǔn)電壓比較

A 點(diǎn)的電壓就像是一個(gè) “監(jiān)測(cè)點(diǎn)” 的水壓，它會(huì)和一個(gè)固定的 “標(biāo)準(zhǔn)水壓”，也就是基準(zhǔn)電壓(VREF)進(jìn)行比較。這個(gè)基準(zhǔn)電壓(VREF)是一個(gè)很穩(wěn)定的電壓，就像供水系統(tǒng)里有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)水壓值。

當(dāng) A 點(diǎn)電壓下降后，和基準(zhǔn)電壓(VREF)一比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有了差距。這時(shí)候，誤差放大器就像是一個(gè) “控制器”，它會(huì)根據(jù)這個(gè)差距來(lái)調(diào)整輸出。因?yàn)?A 點(diǎn)電壓下降了，所以誤差放大器就會(huì)減小它的輸出。

PMOS 管調(diào)節(jié)

誤差放大器的輸出連接著 PMOS 管的 G 極（可以把它想象成一個(gè)控制閥門(mén)）。當(dāng)誤差放大器減小輸出時(shí)，PMOS 管 G 極的電壓就會(huì)下降。

PMOS 管的 S 極電壓(VS)是不變的，就像供水系統(tǒng)中某一段水管的壓力是固定的。而 G 極電壓下降后，G 極和 S 極之間的電壓差(vert VGS)就會(huì)增加，這就好比是控制閥門(mén)的開(kāi)合程度發(fā)生了變化。

這個(gè)電壓差的變化會(huì)使得 PMOS 管的電流(ISD)增加，就像打開(kāi)了更多的水管通道，讓水流變大了。而這個(gè)電流(ISD)就是輸出電流(Iout)的一部分，所以輸出電流(Iout)就增加了。

輸出電壓回升

輸出電流(Iout)增加后，就會(huì)讓輸出電壓(Vout)上升，就像往供水系統(tǒng)里增加了水流，水壓就會(huì)回升一樣。

這樣就完成了一次反饋控制，讓輸出電壓(Vout)又回到了正常的電位，就像供水系統(tǒng)的水壓又回到了正常狀態(tài)一樣。整個(gè)過(guò)程就是通過(guò)不斷地監(jiān)測(cè)、比較和調(diào)整，來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)定。

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