DC/DC基本原理4 (LDO) : 什麼是PMOS LDO？ 什麼是NMOS LDO？

 

作者:Minepower 伏特羊

I. 什麼是PMOS LDO? 什麼是NMOS LDO?

由上一篇文章我們基礎認識了LDO的架構與應用，而LDO其架構其實又可細分為PMOS LDO以及NMOS LDO，差別在於LDO內部MOSFET所採用之類型。

1.PMOS LDO

(1)基本電路

主要由P-Channel的 MOSFET和控制MOSFET的誤差放大器構成，如圖1所示，其源極(S)與輸入電壓相連。PMOS LDO控制迴路非常簡單，內部的誤差放大器通過控制 P-MOSFET 的閘極(G)電壓使外部反饋電路上的反饋電壓(FB)保持與參考電壓(VREF)在相同的準位。

圖1. PMOS LDO電路架構(Richtek Tec.)

(2)PMOS LDO動作原理(如圖2)

1.當負載瞬間增加或其他原因導致輸出電壓下降時，原本穩定工作點位在A點，因為輸出電壓的下降，使得VDS電壓增大，此瞬態時間會由A點移動至B點。

2.因為Vout電壓下降，同時間FB點偵測的電壓也會變小，使得誤差放大器FB電壓與參考電壓Vref比較，誤差放大器驅動電路會調降相對於源極的閘極(G)電壓。

3.調降閘極(G)電壓，使得VGS電壓更負，這會增加 P-MOSFET 的導通能力，輸出電流ID會增加，因為電流增加，使得能量增加，由B點移動到C點，輸出電壓就會再次上升到原來的設定的電壓，完成整體的電路回授控制，維持固定的VDS壓差。

圖2. PMOS LDO動作原理

在此配置中，MOSFET 可以被控制在非常接近 MOSFET-ON 的導通水平，這使得即使 VIN 非常接近 VOUT 時，LDO 仍可以正常操作。但由於閘極電位不能低於接地電位，輸入電壓也必須夠高以提供足夠的空間讓 MOSFET 的閘-源極電壓處在能夠正常操作的水平上。因此，使用 P-MOSFET 為調整管的 LDO 也會需要大約 2.5V 的最低輸入電壓要求。

2.NMOS LDO

(1)基本電路

在某些應用條件下，可能需要在非常低的輸入電壓情況下使用低壓差線性穩壓器（LDO）來提供電源，此時可以選擇N-MOSFET LDO。

以N-MOSFET作為開關的LDO需要比輸出電壓更高的閘極(G)驅動電壓，為了實現非常低的輸入和輸出電壓壓差，許多N-MOSFET LDO 會使用內部電荷泵電路(Charge Bump)或外部輸入的偏壓電壓(Bias Voltage)來提供閘極所需的驅動電壓，才能導通NMOS。這使得NMOS LDO 可以實現在非常低的輸入電壓的情況下運作(如Vin=1V)。

圖3. NMOS LDO電路架構(Richtek Tec.)

(2)NMOS LDO動作原理(如圖4)

1.當負載瞬間增加或其他原因導致輸出電壓下降時，原本穩定工作點位在A點，因為輸出電壓的下降，使得VDS電壓增大，此瞬態時間會由A點移動至B點。

2.因為Vout電壓下降，同時間FB點偵測的電壓也會變小，使得誤差放大器FB電壓與參考電壓Vref比較，誤差放大器驅動電路會調升閘極(G)電壓。

3.調升閘極(G)電壓，使得VGS電壓增加，這會增加 N-MOSFET 的導通能力，輸出電流ID會增加，因為電流增加，使得能量增加，由B點移動到C點，輸出電壓就會再次上升到原來的設定的電壓，完成整體的電路回授控制，維持固定的VDS壓差。

圖4. NMOS LDO動作原理

N-MOSFET 相較於相同尺寸的P-MOSFET 具有更低的導通電阻（RDS(ON)），這意味著它們具有更低的輸出電壓降（Dropout voltage），可使得在低電壓差應用中能夠提供更大的輸出電流。

參考文獻: 

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