线性稳压器LDO选择与使用技巧

LDO最基本的工作原理

LDO通过调节放大器的工作状态来消耗输入电压的多余能量，从而实现输出电压的稳定。

12V的输入，负载是5欧,要得到5伏的压降,按照串联分压原理需要给它串联一个7欧的电阻,负载就能得到5伏的压降。当时从功耗来说是不可行的，此外在实际工作中电阻值是会变化的。

可以将LDO理解为一个智能的R1

这是一个简化的LDO框架图。如图所示，输入电压（V_in）接入后，一侧连接负载，另一侧设有输出滤波电容。

为实现分压调节，需通过晶体管进行调控。晶体管的调节过程中，存在反馈电路（含电阻），用于检测输出电压的具体数值，进而反向控制晶体管的导通程度。

在这一回路中，晶体管工作于线性区，通过调节其线性工作点，使输出电压能够依据反馈电路的作用，维持在一个稳定值。这便是LDO最基本的工作原理。

线性调压器– 7805

典型的LDO电路图。

在该电路中，可见通过Q16，Q17晶体管进行电压调节，同时配有反馈电路R20,R19实现回路控制。

相关参数

工作效率

 

LDO有一个特点，LDO的输入与输出电流相等，差异仅在于输入与输出电压，两者的电压差完全由晶体管承受。因此，LDO的效率计算公式为输出功率除以输入功率，由于电流相同，效率即等于输出电压（V_out）与输入电压（V_in）的比值。例如，当输入电压为12V、输出电压为6V时，其工作效率仅为50%。由此可见，效率是LDO使用过程中需要重点关注的问题。

 

当压差变化极大时，该问题会更为严重。 例如，对于一款输入为12伏、输出为3.3伏的LDO，其效率仅为27.5%。效率偏低并非最关键的问题，真正值得关注的是，当电流较大时，大部分功率会损耗在晶体管上，导致晶体管温度急剧升高，而过高的温度会引发一系列后续问题。

LDO 电压降

另一个需要关注的问题是LDO的电压降（VDO），即LDO输入与输出之间的电压差。如前所述，LDO的输出电压必然低于输入电压，无法实现升压功能。而使芯片能够正常工作的最小压差，便是此处所说的VDO。具体而言，输入电压一定高于输出电压，两者的差值即为VDO（VDO = V_in - V_out）。

UMW AMS1117的压差表

需要注意的是，压差参数与输出电流存在直接关联。对于一款典型的普通LDO，当输出电流为100毫安培时，其压差约为1.2伏；当电流增至1安培时，压差接近1.3伏。因此，LDO的输出电流越大，其压差也越大，这是LDO设计及降额设计中必须考虑的因素。

损耗功率与热问题

如前所述，由于压差的存在及系统回路中电流的恒定，器件的功耗、散热及发热问题尤为突出。

最大耗散功率（PD）

器件的最大耗散功率（PD），其计算公式为PD = 压差 × 输出电流。例如，当1安培的电流流经LDO，且输入电压从6伏降至3伏时，LDO承受的压差为3伏，此时耗散功率为3瓦（3伏 × 1安培）。因此，电压差与电流的乘积是器件耗散功率的主要来源。

 

此外，芯片的静态电流与输入电压的乘积也会产生一定功耗，但这部分功耗通常仅占LDO总功耗的1%以内，因此在实际应用中可忽略不计，只需考虑输入与输出的压差乘以输出电流即可。

结温（TJ）

结温（TJ）指的是半导体芯片（如LDO芯片）在工作时，其内部核心的温度。

 

结温的计算公式为：芯片工作时的结温通常等于环境温度（TA）加上功耗（PD）与热阻的乘积。其中，环境温度（TA）会因使用场景不同而变化，例如实验室中通常为25℃，但设备交付使用时，在东北地区可能低至-20℃，在海南地区可能高达40℃。而结温正是由环境温度与热阻乘以器件损耗功率的结果相加得出。

这三者共同阻碍了芯片工作时热量的扩散。从散热角度而言，热阻越低越好，因为这意味着热量传输能力越强，能更快将热量散发出去。

UMW AMS1117的最大TJ Max

在芯片的规格书中，通常会在封装相关的图表中给出“TJ Max”这一参数。其中，TJ即结温（芯片内核工作温度），而TJ Max指的是芯片能够承受的最高工作温度。

这些参数可在芯片规格书中查询，结合已知的环境温度，便能通过计算确定芯片可承受的最大功率，这也是热功率设计中需确保的安全范围。

UMW AMS1117的θJA（内核到空气的总热阻）

其他品牌的参数

损耗功率与热计算

假设在环境温度为25℃、压差为2V（例如5V输入、3V输出）、电流为0.5A的条件下，流过芯片的损耗功率为1W（2V×0.5A）。此时，若不添加散热片（仅依靠芯片及PCB散热），三个封装的结温计算如下：

• 25℃ + 1W×100℃/W = 125℃，已非常接近最高结温，处于危险状态，且温度高至无法用手触碰；

当环境温度变化时，情况会有所不同。例如，在实验室环境（25℃）中设计不变，若环境温度升至40℃（如海南夏季），同样的电流与压差下：

• 第一个封装的结温为40℃ + 1W×100℃/W = 140℃，意味着该设计在实验室环境中可用，但在高温环境下会可能因结温超限而损坏；

综上，在进行热功率计算与热问题分析时，核心要点如下：

1. 芯片的结温计算公式为：结温 = 环境温度 + 损耗功率 × 总热阻（总热阻为结温至封装、封装至壳体、壳体至空气的热阻之和，即结温到空气的热阻）；
2. 损耗功率（PD）可通过输入输出压差与电流的乘积计算，而静态电流（IQ）和使能电压（VEN）的影响可忽略不计，因其占比极小。

输入输出电容

适当大小的电容可防止LDO在负载瞬态突变时出现输出电压跌落，这与瞬态响应的波形变化相关。在瞬态响应初期，电容的等效串联电阻（ESR）起主导作用；而在后期，等效串联电感（ESL）的影响更为显著。当输出电压开始跌落时，LDO系统会通过比较器检测到这一变化，随后通过晶体管进行调整以补偿电压，此时电容对瞬态响应的变化幅度存在影响。若输出滤波电容（Cout）的特性选择不当，会影响系统的稳定性与瞬态响应，因为这是一个协同作用的过程。

负载突变瞬间，稳压器的反馈环路存在响应延迟，此时输出电容 Cout 作为 “临时电源” 放电，提供额外电流。

例如，若输入电容选择不合适，当输出电压跌落时，前端无法及时补充能量，可能导致跌落时间延长；若输出电容的类型与数值选择不当，部分LDO可能出现稳定性问题。

输出电容的选择

需要特别注意的是，所有LDO的规格书中均会明确标注Cout的选择要求，因此务必仔细查阅。一般而言，较大的Cout（输出电容）可减小峰值偏移，改善瞬态响应。这一原理不难理解：电容越大，储存的能量越多，当负载发生突变时，电容能够提供更多能量，从而最大限度地减小电压波动。因此，较大的Cout值可降低峰值偏移量。

 

通常，能优化瞬态响应的最佳Cout往往是多种不同电容的并联组合。这也是部分电路中会将0.1微法陶瓷电容、1微法（或4.7微法）陶瓷电容与22微法钽电容并联作为Cout的原因。

选择输出电容时，务必仔细研读规格书——我们发现，多数工程师在设计时仅参考参考电路而未完整阅读规格书，这一点需格外注意。

噪声

此外，LDO还有一个至关重要的特性——噪声。如前文所述，与开关电源相比，LDO的显著优势在于噪声较低。开关电源的噪声水平通常为20毫伏左右（性能较好的产品），性能较差的甚至可达50毫伏至80毫伏；

而LDO的噪声则以微伏为单位描述。这是因为LDO没有开关器件，完全依靠晶体管的导通角度，通过线性工作状态来控制压差与输出，因此噪声通常较低。

UMW AMS1117的电流与纹波抑制

参考链接：