LD0、QLDO、VLDO的设计原理及测试
o 引言
近年来低压差稳压器(ld0，low dropout regulator)、准低压差稳压器(qldo，quasi low dropout regulator)和超低压差稳压器(vld0，very low dropout regulator)竞相问世，并在低压供电领域获得推广应用。
1 ld0、qldo的设计原理
下面首先介绍普通串联调整式线性集成稳压器的基本原理，然后分别阐述低压差稳压器、准低压差集成稳压器的基本原理，从中比较它们的显著特点。
1.1 普通线性集成稳压器的设计原理
普通线性集成稳压器亦称npn型稳压器，其原理如图1所示。典型产品有7800系列三端固定式线性集成稳压器和lm317系列三端可调式线性集 成稳压器。它们都属丁npn型稳压器，即串联调整管是由npn型晶体管vt2、vt3构成的达林顿管。vt1为驱动管，它采用pnp型晶体管。u1为输入 电压，u0为输出电压。r1和r2为取样电阻，取样电压u0加到误差放大器的 同相输入端，uq与加在反相输入端的基准电压uref相比较，二者的差值经误差放大器放大后产生误差电压ur，用来调节串联调整管的压降，使输出电压达到 稳定。举例说明，当输出电压u0降低时，uq和ur均降低，因驱动电流增大，故调整管的压降减小，使输出电压升高，最终使u0维持稳定。由于反馈环路总是 试图使误差放大器两个输入端的电位相等，即uq=uref，因此
普通集成稳压器的主要缺点是输入-输出压差高。为了维持稳压器的正常工作，要求最低输入-输出压差(u1-u0)不得低于2 v，一般取4 v以上为宜。这是造成调整管功耗大的主要原因。由图l可见，输入-输出压差的计算公式为
式中：ube为vt2、vt3的发射结电压(这里假定二者相等)，冈此总发射结电压为2ube;
uces为pnp型晶体管btl的集电极-发射极饱和压降。
1.2 ld0的设计原理
ld0的设计原理如图2所示。ldo与普通线性集成稳压器的主要区别是采用pnp型功率管作调整管，并且不需要驱动管。其输入-输出压差的计算公式为
由于公式中不含2ube这一项，因此可大大降低输入-输出压差。满载时输入-输出压差的典型值小于500mv，轻载时仅为10~50mv。这是其显著特点。
但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流id较大。满载时若pnp管的β值为15～20倍，则ldo的 id≈(5%～7%)io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。
1.3 qldo的设计原理
准低压差集成稳压器(qldo)是因输入-输出压差介于npn稳压器和ldo稳压器二者之间而得名的。其设计原理如图3所示。qldo的内部调 整管vt2也采用npn型功率管，但增加了一级pnp型驱动管vt1，因此它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。其 输入-输出压差的计算公式为
式中包含ube这一项，意味着qldo的输入-输出压差介于npn稳压器和ldo之间。qldo具有较好的性能指标：例如lml085能输出 3a的电流，而静态工作电流仅为10ma。qldo也需要接输出电容，但其容量可比ldo用得小，对电容的等效串联电阻(esr)要求较低。
2 vldo的设计原理
vldo的设计原理如图4所示，典型产品为analogic tech公司的aat3200。vld0的最大特点是采用p沟道功率场效应管mosfet来代替pnp型功率管作为调整管，mosfet本身还带保护二极管(vd)。p沟道mosfet属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。图4中还给出了内部过电流及过热保护电路，rs为电流检测电阻。
一种改进型vldo的设计原理如图5所示。其主要特点是增加了输出状态自检(pok)、延迟供电、电源关断等功能。pok(power ok)是表示“电源正常”的信号。一旦输出电压降低到使采样电压低于9l%uref时，比较器就输出高电平，经过l ms的延迟时间强迫pok mosfet导通，从pok端输出低电平(表示电源电压过低)，送至微处理器。当输出电压恢复正f常叫，比较器输出低电平，令pok mosfet截止，pok端输出为高电平，以此表示电源正常。pok mosfet采用开漏极输出结构，外部需经过lo kω～l mω的上拉电阻接u0端。不用pok端时可接地或悬空。en为使能控制端，当en端接低电半时将电源关断。ldo进入休眠状态，此时pok端 呈高阻态。利用延迟电路能避免因干扰而造成的误动作。
3 几种线性稳压器的性能比较
几种线性稳压器的性能比较见表l。
4 ldo的性能测试
为了说明低压差稳压器的优良特性，现将lm2930与普通三端稳压器7805作一对比性试验，二者的标称稳压值均为5v。稳压器的输入电压取自 ht-1714c型多路直流稳压电源。稳压器的输出端接上假负载r1，使输出电流i0=100ma。输出电压u0用dt860型数字万用表测量。测量数据 以及汁算出的压差值(u1-u0)、稳压电源的效率(η)一并列入表2及表3中。由表2及表3可见，当u1>5.20v时，lm2930即 可正常稳压，稳压值u0=5.16v;当u1=5.20v时的压差仅为0.04 v，u1=5.50v时为0.34v，均低于o 6v。7805则不然，其压差必须大于2v(实际使用时应在4v以上)，才能正常稳压，稳压值u0=4.98v。
5 结语
不难看出，选择低压差稳压器能显著提高线性集成稳压电源的效率。
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1 ld0、qldo的设计原理
下面首先介绍普通串联调整式线性集成稳压器的基本原理，然后分别阐述低压差稳压器、准低压差集成稳压器的基本原理，从中比较它们的显著特点。
1.1 普通线性集成稳压器的设计原理
普通线性集成稳压器亦称npn型稳压器，其原理如图1所示。典型产品有7800系列三端固定式线性集成稳压器和lm317系列三端可调式线性集 成稳压器。它们都属丁npn型稳压器，即串联调整管是由npn型晶体管vt2、vt3构成的达林顿管。vt1为驱动管，它采用pnp型晶体管。u1为输入 电压，u0为输出电压。r1和r2为取样电阻，取样电压u0加到误差放大器的 同相输入端，uq与加在反相输入端的基准电压uref相比较，二者的差值经误差放大器放大后产生误差电压ur，用来调节串联调整管的压降，使输出电压达到 稳定。举例说明，当输出电压u0降低时，uq和ur均降低，因驱动电流增大，故调整管的压降减小，使输出电压升高，最终使u0维持稳定。由于反馈环路总是 试图使误差放大器两个输入端的电位相等，即uq=uref，因此
普通集成稳压器的主要缺点是输入-输出压差高。为了维持稳压器的正常工作，要求最低输入-输出压差(u1-u0)不得低于2 v，一般取4 v以上为宜。这是造成调整管功耗大的主要原因。由图l可见，输入-输出压差的计算公式为
式中：ube为vt2、vt3的发射结电压(这里假定二者相等)，冈此总发射结电压为2ube;
uces为pnp型晶体管btl的集电极-发射极饱和压降。
1.2 ld0的设计原理
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由于公式中不含2ube这一项，因此可大大降低输入-输出压差。满载时输入-输出压差的典型值小于500mv，轻载时仅为10~50mv。这是其显著特点。
但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流id较大。满载时若pnp管的β值为15～20倍，则ldo的 id≈(5%～7%)io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。
1.3 qldo的设计原理
准低压差集成稳压器(qldo)是因输入-输出压差介于npn稳压器和ldo稳压器二者之间而得名的。其设计原理如图3所示。qldo的内部调 整管vt2也采用npn型功率管，但增加了一级pnp型驱动管vt1，因此它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。其 输入-输出压差的计算公式为
式中包含ube这一项，意味着qldo的输入-输出压差介于npn稳压器和ldo之间。qldo具有较好的性能指标：例如lml085能输出 3a的电流，而静态工作电流仅为10ma。qldo也需要接输出电容，但其容量可比ldo用得小，对电容的等效串联电阻(esr)要求较低。
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5 结语
不难看出，选择低压差稳压器能显著提高线性集成稳压电源的效率。
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