DC/DC基本原理3 (LDO Regulator) : 什麼是LDO？ What is LDO?

作者:Minepower 伏特羊

I. 什麼是LDO？ What is LDO?

理解LDO概念前，首先了解線性穩壓器的分類，由前一篇文章介紹，我們知道線性穩壓器可分為串聯型線性穩壓器和並聯型線性穩壓器，是兩種常見的線性穩壓器結構。

1. 串聯型線性穩壓器：

• 結構： 串聯型線性穩壓器在輸入和負載之間插入一個電晶體作為可變電阻器，也稱為控制元件，可以調整電路的效應以保持輸出電壓穩定。

• 原理：當輸入電壓變動時，控制元件（電晶體）的電阻值會相應地調整，以維持輸出電壓在一個穩定的水平。

• 優點：簡單、穩定，特別適用於對輸出電壓穩定性要求較高的應用。

2. 並聯型線性穩壓器：

• 結構：並聯型線性穩壓器插入一個與負載並聯的電晶體。這個電晶體也被用來調整電路的效應，以達到穩定輸出電壓的目的。

• 原理：與串聯型相似，通過調整電晶體的電阻值，使輸出電壓保持在穩定水平。

• 應用：在某些特殊應用中可能使用，但相對較少見。

總結來說，串聯型線性穩壓器是更常見的一種結構，因其穩定性和簡單性而被廣泛應用。這些穩壓器通常用於需要較高穩定性和較低雜訊的應用，如精密儀器、通信設備等。在本文當中，將只關注串聯型線性穩壓器，因為這種類型比並聯型更常用，後者的用途相當有限，而LDO即是屬於串聯型線性穩壓器類別。

低壓差線性穩壓器（LDO，Low Drop-Out Regulator）是一種常見的電壓穩壓器，這種穩壓器的特點是，它們能夠在輸入電壓與輸出電壓之間保持較小的電壓差，通常僅有幾百毫伏或更小，這使得它們非常適合要求輸出電壓非常穩定的應用環境。

線性穩壓器內部包含了一個電晶體，為了確保這個電晶體可以穩定運作，需要保持輸入和輸出之間的最低電壓差。

*這個最低電壓差是必需的，因為當輸入和輸出之間的電壓差低於這個最小值時，電晶體將無法正常工作，這將導致輸出電壓降低，無法達到所需的穩定輸出。

圖1.LDO架構圖

以下是LDO穩壓器的主要特點和應用：

1. 低輸出電壓差： LDO穩壓器的一個主要優勢是能夠實現非常低的輸出電壓差。這意味著即使輸入電壓略高於輸出電壓，它們也能提供穩定的輸出。

2. 低輸出雜訊： LDO穩壓器通常具有較低的輸出雜訊，這對於對電路噪聲敏感的應用非常重要，如某些類比電路或射頻應用。

3. 低輸出電流： 它們適用於功率消耗不大的應用，因為它們的效率相對較低，特別是當輸入電壓遠高於輸出電壓時。

4. 良好的輸出穩定性： LDO穩壓器通常具有良好的輸出電壓穩定性，即使在輸入電壓變化較大的情況下也能保持輸出穩定。

5. 低輸出功率：由於其低效率，LDO穩壓器不適合高功率應用，但在需要低功率輸出的設備中非常有用。

6. 響應快速：LDO穩壓器通常能夠快速響應輸入電壓或載波變化，這使它們適用於要求快速調整的應用，如無線通信。

II. LDO的損耗與效率

LDO使用線性調節方式，所以輸入和輸出之間的電壓差乘以負載的平均電流就會產生在LDO調節器上損耗的功率，忽略靜態電流下，損耗功率可以通過公式(1)來計算。

由式(1)可以得知，如果輸入電壓（Vin）和輸出電壓（Vout）之間的壓差很大，或是負載電流（ILOAD）較高時，這將會導致較多的能量損耗。

而LDO的效率可由公式(2)所表示，並由式(1)得知在輸入電壓（Vin）和輸出電壓（Vout）之間的壓差很大，或是負載電流（ILOAD）較高時會有較多的損耗，因此在此情境下效率會較差。

以圖2舉例來說，LDO的輸入電壓為5V、輸入電流為100mA，輸出電壓為3.3V、輸出電流為100mA，我們可將參數代入式(1)，損耗功率 = (輸入電壓-輸出電壓)*負載電流 = (5V-3.3V)*100mA，可得損耗功率為0.17W。

我們知道，所有的能量都不會憑空消失，損耗的能量最終會以熱的形式傳遞出去，更高的損耗意味著LDO需要更大的封裝，這將增加成本、占用更多的PCB空間、需要增加更大的散熱片，並可能引發應用中的熱管理問題，這對工程師在設計中就會產生很大的挑戰。

圖2.LDO損耗功率示意圖

尤其在高輸入電壓和輸出電壓應用中，相對於開關切換式調節器，LDO的效率確實較低。這就是為什麼在高效能和高功率效率要求的應用中，開關切換式調節器更常見，因為它們可以提供較高的效率，同時減少不必要的能量損失。

當LDO上的功耗超過0.8瓦特時，最明智的做法通常是考慮使用Buck架構的轉換器來替代它。此方式可以更有效地處理高功耗，同時降低封裝和散熱的要求，進而提高整體系統的性能和可靠性。

III. LDO實務上的選擇

選擇適當的LDO時，首先要考慮以下幾個因素：

1. 輸入和輸出電壓範圍： 確保所選的LDO支持您的輸入和輸出電壓需求。檢查LDO的規格表，確保它的輸入電壓範圍包含您的輸入電源電壓，並且它可以產生所需的輸出電壓。

2. 電流負載能力：考慮您的應用中的電流需求。確保所選的LDO的電流負載能力足以支持您的負載電流，並且具有一定的餘裕以應對臨時的負載變化。

3. 封裝和散熱能力：考慮您的應用中可用的空間和散熱需求。選擇適合的LDO封裝，以確保它可以有效散熱，特別是在高功率應用中。

4. 最小電壓差（Dropout Voltage）： 了解所選LDO的最小電壓差是很重要的。這個值決定了LDO在輸入和輸出電壓之間的差距多小時仍能保持穩定的輸出。輸出電壓穩定性對某些應用至關重要。

5. 靜態電流（IQ）：在微功率或長時間運行的應用中，LDO的靜態電流需要盡可能低，以節省能源並延長電池壽命。

6. 低輸出雜訊和良好的PSRR：對於需要低雜訊和高抗干擾性能的應用，確保所選LDO具有低輸出雜訊和良好的PSRR是關鍵。

綜合考慮這些因素，您可以更好地選擇適合您特定應用的LDO。不同的應用可能會有不同的優先考慮因素，所以確保根據您的需求仔細查看LDO的規格和特性是很重要的。

不過，LDO仍然在某些應用中下非常有價值，尤其是當需要低電壓差、穩定的輸出電壓和低雜訊、低功率、低使用成本的應用。因此，在設計電源系統時，需要仔細考慮應用需求，以選擇最適合的調節器。

參考文獻: 

https://www.richtek.com/selection-guide/tw/selection-ldo.html

https://www.nisshinbo-microdevices.co.jp/en/design-support/basic/02-linear-regulator.html