电源模块是所有电子系统最基本也是最重要的功能模块。它就像是汽车的发动机一样重要。没有电源模块，现在我们常用的电子产品，不论是手机还是电脑都将无法工作。
低压差稳压器（LDO）是一种将高电压调节成稳定低电压直流输出的一种器件。在通常情况下，LDO是消费电子产品电源模块最经济有效的一种选择。本教程介绍LDO的工作原理，以及应用时的注意事项。
另一篇关于如何选择LDO的文章请点按此：https://haipeng.me/2020/05/02/consumer-electronics-design-power-ldo/
什么是压差
正如它名字中所暗示的那样，低压差稳压器最重要的概念之一，就是压差Dropout。首先必须牢记的概念是，LDO的输入电压VIN永远比输出电压VOUT高。当输入电压VIN低于额定输出电压VOUT(NOM)时，输出电压VOUT也会相应下降，而且永远比输入电压VIN低。
Dropout，中文翻译为压差，表记为VDO，它表示元件能稳定获得输出电压时，最小输入电压与额定输出电压的差值。输入电压VIN必须比输出电压VOUT高出至少一个压差VDO，才能保证输出电压恒压稳定。也就是说，LDO想要稳定工作，必须满足下面的公式：
VIN ≥ VOUT(NOM) + VDO
值得注意的是，VDO并不是一个一成不变的常量。它会随着输出电流IOUT发生变化。下图选自维安宽压低压差稳压器WR0338数据表：
可以看出，输出电流IOUT越大，压差VDO也越大。以WR0338为例，如果你想要获得200mA@3.3V的稳定输出，就需要保证输入电压高于3.7V（3.3V+200mA时的压差400mV）。而如果你只需要50mA@3.3V的稳定输出，保证输入电压高于3.38V（3.3V+50mA时的压差80mV）就可以了。通过下面的章节，你就会明白是什么决定了压差VDO。
LDO的结构
最简单的LDO，由一个PMOS、一个误差放大器和两个分压电阻组成，如下图所示：
如图所示，R1、R2组成了一个分压网络，接入误差放大器的正端，与负端的参考电压VREF一起调节PMOS的RDS。VIN经过RDS上产生压降，获得VOUT。在PMOS电阻RDS上产生的压降，就是我们上文所提到的VIN与VOUT之间的压差。显然，输出电流IOUT越大，在RDS产生的压降也越大。这就解释了为什么在数据表中，输出电流IOUT越大，VDO也越大。
当VIN（对应PMOS的S极）下降时，误差放大器的输出（对应PMOS的G极）也会降低以获得更低的VGS，来驱动PMOS的获得更低的RDS来保持输出电压的稳定。但误差放大器会在VIN持续下降时的某一点饱和，无法再使RDS更低。所以当VIN非常接近甚至低于VOUT(NOM)时，LDO会失去调节电压的能力。
而VIN越大，误差放大器越容易产生较大的VGS，因此可以调节RDS到更低的电阻。于是，同样的输出电流下，VIN越大，VDO就越小。
目前市面上大部分LDO的VIN最大值在VOUT(NOM)的两倍左右。超过VIN允许的最大电压会将LDO损坏。如果我们想通过9V/12V/15V的直流电源供应器获得3.3V直流电压时，有些设计人员会选择DC-DC降压变换器。DC-DC降压变换器的优点在于转换效率高，发热低，但是它的电路成本较高，在电路板上所占据的面积也较大。所以，在电流需求不太大的情况下，我们可以使用宽压LDO，如荃发电子代理的维安WR0338。它的输入电压范围在2.5~18V之间，足以搭配常见的9V/12V/15V直流电源供应器来获得3.3V的稳定输出。
还有另一种NMOS构成的LDO，也是类似的原理。但由于NMOS型LDO在VIN降低时难以获得较高的VGS，因此无法在VIN接近VOUT(NOM)时将RDS调节得更低。处于这个原因，普通NMOS型LDO无法实现较低的压差VDO。针对此问题，有些NMOS型的LDO会增加一个偏置电压VBIAS或者电荷泵到误差放大器上，以获得更高的VGS，进而获得更低的RDS和更低的VDO。
LDO的发热
从本质上来说，LDO是将较高的电压经过一个电阻转换成较低的电压。耗散在电阻上的能量将以热量的方式发散出去。所以，在设计LDO电路时，必须根据电路实际工作情况考虑LDO的发热问题，温度过高会损坏LDO以及电路板上的其他元件。
表征LDO发热的参数是热电阻系数thermal resistance (RθJA)。不同封装的LDO的热电阻系数往往会差别很大。同样以维安WR0338为例，SOT23-3封装的热电阻系数是250°C/W，而SOT89-3封装的热电阻系数就降到了200°C/W。
以WR0338为例，考虑一个小电流使用场景：输入电压是15V的直流电源供应器，电路所需要的电流是40mA。在此使用条件下，耗散在LDO上的功率可以由以下公式计算出：
PD = (VIN − VOUT ) × IOUT
因此PD=(15V – 3.3V ) × 0.040A = 0.468W，这个值小于SOT23-3封装所允许的最大功率耗散500mW，也小于SOT89-3封装所允许的最大功率耗散625mW，所以电路可以在此状态下工作。显然我们注意到，如果工作电流再大一些，比如达到50mA，功率耗散就达到了585mW，超出了SOT23-3封装所允许的范围，但仍可以使用SOT89-3封装。
在已知PD的情况下，温升可以用下列公式算出：
ΔT = RθJA × PD
于是，上述使用条件下，SOT23-3封装的温升是0.468W × 250 °C/W = 117°C，SOT89-3封装的温升是0.468W × 200 °C/W = 93.6°C。在实际使用中，应当保持LDO处于良好的通风环境，必要时添加散热片heat sink。目前市面上的LDO产品大多都有热保护功能，如WR0338热保护功能在150°C摄氏度的时候会启动，LDO停止输出电流，直至元件冷却。
LDO的静态电流
静态电流(quiescent current, Iq)描述了LDO接入电源时自身的耗电情况。越来越多的电子产品开始使用电池供电，因此静态电流的大小会直接影响产品的待机时间。静态电流越低，设备就可以待机越长时间。以WR0338为例，它开机时（EN脚为高电平）的Iq典型值为3uA，而关闭电流（EN脚为低电平）更小于1uA。如果使用一块600mAh的锂电池（4.2V满电电压）供电的话，在待机情况下不考虑其他负载的耗电仅计算LDO的耗电，我们粗略可以算出设备可以待机600mAh/3uA=200kh=8333 days = 22.8 years，足足可以待机22.8年之久！当然，电池本身的自放电和其他IC的静态电流都会影响到最终设备可以待机的时间。但LDO的静态电流仍旧是对我们设计电路待机时行为的一个重要观察指标。
值得注意的是，很多LDO在欠压工作状态时（VIN小于VOUT(NOM)+VDO），它们的静态电流会暴增。如下图所示某厂家LDO的静态工作电流随输入电压变化的曲线。我们可以发现，在VIN大于3.3V、LDO可以稳压情况下，Iq只有20-30uA。但当VIN降低至3.3V以下，Iq突然暴增到200uA以上。这种现象容易彻底耗尽电池电源，对电池寿命和产品特性都有不好的影响。
针对Iq暴增的现象，通常有三种解决方案：一是选择全输入电压范围都能维持低静态电流的LDO（但通常较贵）；二是在电池电压降低到LDO输出电压之前就提早将产品待机（产品使用时间将有所缩短）；三是使用LDO的EN脚将LDO在VIN降低至VOUT(NOM)后关闭（电路更复杂）。
电源抑制比
除了价格低廉以外，LDO另一个非常吸引人的优点是它非常好的电源抑制比（Power-Supply Rejection Ratio, PSRR）。
PSRR表达式如下：
从表达式我们可以看出，PSRR表征的是LDO输出端抑制输入端扰动的能力（ripple）。PSRR越高的LDO，越能抵御输入端电压的不稳定。需要注意的是，仅仅查看数据表上PSRR的数值是不足以帮助我们分析输出端是否稳定的。原因很简单，因为PSRR跟扰动的频率密切相关：
同样以WR0338为例，在数据表中，我们看到从10Hz到1kHz，WR0338都维持着优异的PSRR性能：65dB！但是当ripple频率到10kHz以上时，PSRR数值急剧下降。这意味着，如果输入段VIN的ripple频率在10kHz以上时（比如VIN来自一个500kHz的直流-直流升压降压变换器DC-DC buck boost），LDO的VOUT很可能会出现与VIN频率一致的ripple，如下图所示。
在德州仪器应用手册中，他们给出了针对不同频率下，我们可以提高PSRR的几种方法，摘录如下表：
LDO的噪声
LDO虽然一大优点是输出稳定噪声低，但它并非理想元件，因此也是有噪声的。常见的有两种方式降低LDO的噪声：降噪电容法（Noise-reduction capacitor）和前馈电容法（Feed-forward capacitor）。
降噪电容法是将LDO的误差放大器的正端经降噪电容（通常10nF到1uF）接地。降噪电容在这里有两个作用：1.用于过滤来自内部电压基准的噪声；2、在LDO启动或使能（Enable）期间减缓压摆率slew rate。
前馈电容法是将前馈电容（通常10nF到100nF）接在输出端与电阻分压器的反馈端。添加前馈电容可以提高噪声、稳定性、负载响应以及PSRR。但我们只有在使用输出可调式LDO才能使用前馈电容法（因为固定输出式LDO的电阻分压在元件内部，无法放置前馈电容）。
线路调节和负载调节
线路调节(Line Regulation)和负载调节(Load Regulation)分别表征输入电压发生波动和输出电流发生波动时，LDO保持稳定输出VOUT的能力。查找WR0338的规格书我们看到她的Line Regulation只有0.01%/V，这意味着当LDO的输入电压每变化1V时，LDO的输出电压只会变化万分之一。WR0331的Load Regulation只有20mV，这意味着输出电流在1-300mA变化时，输出电压只会变化0.02V。
LDO的输入输出电容
从类型来说，价格相对低廉的普通陶瓷电容基本就足以胜任。具体的电容值可以参考每款LDO的规格书。要注意的是普通陶瓷电容的容值会随电容两端电压上升而下降（DC bias），因此要尽量选择额定电压较高的电容。
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