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LDO基本工作原理及仿真LDO模型应用

原文来自公众号:硬件工程师看海

无论什么电子产品,都必须用到电源,在移动端消费类电子产品中,常用的有DCDC电源和LDO电源两种,DCDC的优点是效率高,但是噪声大;LDO正相反,它是效率低,噪声小。

今天我们来介绍下LDO的基本工作原理,仿真一个简单的LDO模型,都是满满的干货。

1. LDO分类

常见的LDO是由P管构成的,LDO效率比较低,因此一般不会走大电流。针对某些大电流低压差需求的场合,N管LDO应运而生。下图是PMOS和NMOS LDO的系统框图对比。我们暂且忽略系统的传递函数,把目光集中到LDO调节稳定的工作过程,下面我们就先看下PMOS LDO的基本工作流程。

2. LDO工作流程

当Vout由于负载变化或其他原因电压下降时,两个串联分压电阻两端的电压也会下降,进而A点电压下降,A点的电位和Vref电位相比较,误差放大器会减小它的输出,使得G电位下降,Vs电压不变,进而使得|Vgs|的压差增加(我们用Vgs和Vds的绝对值描述PMOS更直观),输出电流Isd会增加,输出电流Isd增加就会使得Vout上升,完成一次反馈控制,使得Vout又回到正常电位。

总结过程如下:

Vout↓——>Va↓——>Vg↓——Iout↑——>Vout↑

image.png

3. PMOS驱动

下图是PMOS的输出特性曲线,是PMOS本身的一个特性,根据G、D、S电压不同,MOS会工作在不同的区域,即可变电阻区、饱和区(恒流区)、截至区。LDO中的MOS是工作在恒流区的。

   顺着下图绿色箭头指示方向|Vgs|逐渐上升,Ids跟着|Vgs|上升而上升,而这段区域内不管Vds怎么变Id基本不变,换句话说,恒流区内,Ids受Vgs控制,因此基于MOS的放大器有时也被叫做跨导放大器。

4. LDO动态调整

    让我们再详细来一次,若Vout异常降低,Vout-Vin=Vd-Vs=Vds,|Vds|上升(Vds<0),在输出特性曲线中体现为,由状态工作点C转移到D。紧接着反馈回路开始发挥作用,由于Vout下降,则Va降低,运放会使得Vg下降,Vg-Vs=Vg-Vin=Vgs,|Vgs|也上升(|Vgs|<0),在Vgs驱动下Iout会慢慢上升,在输出特性曲线恒流区内体现为由 C向状态工作点D转移。当Iout=Id随着Vgs上升时,Vds慢慢减小,最终Vout又上升回来,完成了一次完整的反馈控制。

image.png

5. LDO仿真

   下图是使用multisim仿真的电路,LDO为5V转3.3V,当输出变化时,会通过A点反馈至MOS的G极,进而调节输出。

   下图是LDO输出的电压和电流波形,红色是电压,绿色是电流。

   PMOS LDO基本工作原理就介绍到这里,下一期会介绍LDO其他参数以及选型注意事项,是更实用的内容。

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