LDO 的基礎知識與如何應用來延長可攜式、穿戴式裝置的電池續航力

新式電子裝置變得越來越小、越來越容易攜帶。智慧型手錶、健身追蹤器、保全系統以及物聯網 (IoT) 裝置紛紛開始使用電池供電。因此，這些裝置需要高效率的電源穩壓器，將每次充電的一分一毫都用得淋漓盡致，才能延長裝置的工作時數。而且，運作時的溫升也是越低越好。傳統的線性穩壓器和切換式電源穩壓器無法輕鬆達到這些可攜式裝置所需的效率。此外，切換式電源穩壓器還會受到雜訊及暫態電壓的影響。

低壓降穩壓器 (LDO) 是線性穩壓器和切換式穩壓器系列的最新成員，能利用穩壓器極低的壓降，提高效率並降低熱耗散。各式各樣的 LDO 都非常適合中低功率應用，可以採用小至 3 mm × 3 mm × 0.6 mm 的封裝。市面上提供固定式或可調式輸出電壓的款式，還有一些可透過輸出致能線路進行開關控制的款式。

本文將探討低壓降穩壓器的基礎知識，以及這種穩壓器相對於傳統線性穩壓器、切換式電源穩壓器的主要特性。接著，我們會介紹 Diodes Incorporated 實際推出的 LDO 元件，並示範其應用方式。

什麼是 LDO 穩壓器？

穩壓器的功能是在負載和電源電壓發生變化時，維持恆定的輸出電壓。傳統的穩壓器電路會使用線性或切換式設計。LDO 穩壓器屬於線性穩壓器類別，但運作時，輸入和輸出端子之間的電壓非常低。跟所有線性穩壓器一樣，LDO 採用回授控制迴路架構 (圖 1)。

圖 1：LDO 穩壓器採用壓控回授電路架構。串聯通路元件可以是 PMOS、NMOS 或 PNP 雙極電晶體，其作用類似於壓控電阻。(圖片來源：Diodes Incorporated)

LDO 穩壓器會透過一個可調整輸出位準的電阻式分壓器感測輸出電壓。調整後的輸出電壓會施加到誤差放大器，然後與參考電壓進行比較。誤差放大器會驅動串聯通路元件，在輸出端維持所需的電壓。輸入和輸出電壓之間的差異就是壓降電壓，會出現在通路元件上。

LDO 中的串聯通路元件，作用類似於電壓可變電阻。串聯通路元件可以是 P 通道金屬氧化物半導體 (PMOS)、N 通道金屬氧化物半導體 (NMOS) 或 PNP 雙極電晶體。PMOS 和 PNP 元件可以驅動到飽和狀態，將壓降電壓減至最低。若採用 PMOS 場效電晶體 (FET)，壓降電壓大約是通道導通電阻 (R_DSON) 乘以輸出電流。雖然這些元件各有優缺，不過事實證明，PMOS 元件的實作成本最低。Diodes Incorporated 的 AP7361EA 系列正輸出 LDO 穩壓器使用 PMOS 通路元件，在 1 A 負載電流下，3.3 V 輸出的壓降電壓約為 360 mV，電壓準確度為 ±1% (圖 2)。

圖 2：此為 AP7361EA 系列 3.3 V LDO 在三種不同的溫度下，壓降電壓受輸出電流影響的關係圖。(圖片來源：Diodes Incorporated)

壓降電壓受輸出電流影響的關係圖顯示出各溫度的恆定斜率，可藉此指出其電阻性質。壓降電壓多少會受到溫度影響，電壓位準會隨著溫度升高而上升。請注意，LDO 的壓降電壓遠低於傳統線性電源穩壓器的壓降電壓，後者的壓降電壓約為 2 V。

圖 1 中的輸出電容包含其固有的有效串聯電阻 (ESR)，這會影響穩壓器的穩定性。選定的電容的 ESR 應低於 10 Ω，以確保在 -40° 至 +85°C 的完整工作溫度範圍內具有穩定性。建議使用的電容類型包括：積層陶瓷電容 (MLCC)、固態電解電容、超過 2.2 mF 的鉭電容。

靜態電流 I_Q 表示 LDO 在空載時從電源汲取的電流。靜態電流可供電給 LDO 的內部電路，例如誤差放大器和輸出分壓器。在電池供電式裝置中，靜態電流會影響電池的放電率，因此通常設計得越低越好。Diodes Incorporated AP7361EA 系列的典型 I_Q 為 68 mA。

AP7361EA 系列 LDO

AP7361EA 系列含有三種可供選擇的電路配置，如圖 3 所示。

圖 3：AP7361EA 系列提供固定式或可調式輸出電壓元件，可選擇是否含有致能控制。(圖片來源：Diodes Incorporated)

AP7361EA 系列提供固定式或可調式輸出電壓款式。固定電壓款式具有內部分壓器，並提供 1.0、1.2、1.5、1.8、2.5、2.8 或 3.3 V 的輸出電壓位準。可調式輸出元件需要使用者提供外部分壓器，輸出電壓範圍為 0.8 V 至 5 V。所有款式的額定輸出電壓準確度皆為 ±1%，輸入電壓範圍為 2.2 V 至 6 V。

固定式或可調式款式皆含有致能控制線 (EN)。將 EN 引腳設定為高位準即可開啟 AP7361EA，將其拉低即可關閉。如果不使用此功能，EN 引腳應連接到輸入引腳 (IN)，讓穩壓器輸出始終開啟。致能線的反應時間約為 200 ms 才可開啟，需大約 50 ms 關閉。

AP7361EA 各元件之間的另一項顯著差異在於實體封裝。提供 U-DFN3030-8 (Type E)、SOT89-5、SOT223、TO252 (DPAK)、SO-8EP 封裝。

表 1 列出一些 AP7361EA 範例產品的比較，包括固定式 (AP7361EA-33DR-13、AP7361EA-10ER-13) 和可調式 (AP7361EA-FGE-7、AP7361EA-SPR-13) 款式。

表 1：AP7361EA 固定式、可調式電壓配置的範例。(表格來源：Art Pini，使用來自 Diodes Inc. 的數據)

AP7361EA 系列元件均具有短路和過電流保護功能。如果輸出電流超過電流限制 (通常為 1.5 A)，則短路和過電流保護具有 400 mA 的折返電流限制。當元件的接面溫度升高至標稱 150°C 時會發生熱關斷，降至約 130°C 以下時，就會恢復運作。

負載和線路調節

負載調節率代表 LDO 在輸出負載電流發生變化的情況下，維持其輸出電壓的能力。這對電池供電的可攜式裝置來說十分重要，因為在這些裝置中，控制器通常會在子系統閒置時將其關閉。AP7361EA LDO 系列在 1 V 至 1.2 V 的輸出位準下，指定的最大負載調節率為 1.5%，在 1.2 V 至 3.3 V 輸出位準下則為 1% (圖 4)。

圖 4：3.3 V 輸出下的負載調節圖範例。對於 3.3 V 標稱輸出，在 100 mA 至 500 mA 的負載變化範圍內，最大輸出變化約為 0.15% 或約 5.0 mV。(圖片來源：Diodes Incorporated)

負載調節率的計算方式是最大輸出電壓變化與標稱輸出電壓的比值。在上述範例中，在 100 mA 至 500 mA 的負載變化下，最大輸出變化約為 5.0 mV。因此，負載調節率為 0.005/3.3 或 0.15%。

線路變化率則代表電源電壓變化時，每 1 V 輸出的輸出變化。AP7361EA 系列在室溫下的指定最大線路調節率為 0.1%/V，在整個溫度範圍內為 0.2%/V。針對 3.3 V 輸出，1 V 的輸入位準變化，比起標稱 3.3 V 輸出的 0.33% 變化，應該要更小 (圖 5)。

圖 5：此圖顯示 AP7361EA 在 3.3 V 輸出運作下的線路調節情況。輸入電壓從 4.3 V 變更至 5.3 V，會導致輸出電壓發生 0.05% 的變化。(圖片來源：Diodes Incorporated)

圖 5 顯示出 LDO 的線路調節特性。電源電壓從 4.3 V 變更至 5.3 V，會導致輸出位準出現 0.05% 的變化，亦即大約 1.65 mV。

請注意，在線路和負載變化的情況下，輸出可以從暫態事件中快速恢復。這在重新啟動可攜式設備的程序時非常重要，因為電源匯流排必須先啟動並正常運作，才能重新啟動無作用的電路。

電源拒斥比

LDO 屬於線性電路，比起切換式電源供應器 (SMPS) 或電源轉換器，產生的雜訊少很多。在許多應用中，僅會在電路板上使用 LDO，但電源是 SMPS。由於 LDO 內有控制系統，通常會抑制來自輸入電源的雜訊和漣波。這種雜訊抑制能力的衡量標準是電源拒斥比 (PSRR) (圖 6)。

圖 6：PSRR 是依據 LDO 輸入、輸出端測得的交流電訊號計算而來。(圖片來源：Diodes Incorporated)

PSRR 是以輸入 AC 分量與輸出 AC 分量的比值計算而來，如圖 6 所示。AP7361EA 系列中的 PSRR 與頻率有關，會隨著頻率的增加而降低。PSRR 在 1 kHz 時為 75 dB，在 10 kHz 頻率時則下降至 55 dB。75 dB 代表衰減超過 5600:1。1 kHz 的 10 mV 漣波或雜訊訊號將衰減至大約 1.7 µV。

應用範例

可調式輸出 LDO 的典型應用如圖 7 所示。含有一個類似 AP7361EA-SPR-13 的輸出致能，以及一個外部輸出分壓器。

圖 7：使用需要外部輸出分壓器的可調式輸出 LDO 之範例。右下角的方程式顯示電阻 R1 和 R2 之間的關係，以配合所需的輸出電壓和內部參考電壓。(圖片來源：Diodes Incorporated)

電阻分壓器的電阻值可以使用圖 7 右下角所示的方程式計算。R2 的值應維持在小於 80 kΩ，以確保內部參考電壓的穩定性。在 2.4 V 輸出下，若參考電壓為 0.8 V 且 R2 等於 61.9 kΩ，R1 的值為 123.8 kΩ。這時，便適合使用 124 kΩ、1% 的電阻。

結論

LDO 是線性穩壓器，即使輸入、輸出間的電壓差異小也能運作，其靜態電流亦相當低。提供高電源效率、低雜訊和小巧尺寸，特別適用於電池供電的可攜式裝置，能延長電池續航力並提高可靠性。