从基础到实践（十四）：LDO的由来与内部结构解析

        LDO（低压差线性稳压器）是电子系统的“电压守门员”，能在极低压差下（如0.2V）稳定输出纯净电压，榨干电池电量延长续航，避免传统稳压器因压差不足宕机。其无高频噪声的特性，为传感器、射频模块等精密电路提供“无污染”电源，同时集成过流、过热保护，兼顾安全与高效，是便携设备和多电压系统中不可替代的“能源心脏”。 

一、LDO是什么？

LDO全称低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator），是一种能把输入电压“压稳”为更低输出电压的芯片。它的核心特点是**“低压差”**——比如输入5.2V，输出5V，压差仅0.2V也能工作，而传统线性稳压器（如老式7805）需要压差2V以上。

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二、为什么需要LDO？

• 电池设备的救星：手机、蓝牙耳机等设备用电池供电，电压会逐渐下降。传统稳压器在电池电压稍低时直接罢工，而LDO能榨干电池的“最后一滴电”。

• 高效低发热：压差小意味着能量损耗少（压差×电流=发热），适合对散热要求高的场景。

• 纯净输出：相比开关电源，LDO没有高频噪声，适合给精密芯片（如传感器、射频模块）供电。

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三、LDO的由来

1. 传统线性稳压器：比如经典的7805，内部用NPN晶体管做调整管，但压差必须≥2V才能工作。

2. LDO的改进：改用PMOS晶体管或特殊结构的PNP管，压差直接降到0.2V以内，诞生于90年代，专为便携设备优化。

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四、LDO内部结构拆解

想象LDO是一个“智能水龙头”：输入电压是“水压”，输出电压是“水流”，内部结构如下：

                        

        为调节所需的输出电压，反馈回路将控制漏-源极电阻 RDS。随着 VIN 逐渐接近VOUT，误 差放大器将驱动栅-源极电压 VGS 负向增大，以减小 RDS，从 而保持稳压。

1. 调整管（主角）

• 作用：相当于一个“可变电阻”，通过改变自身阻值，把输入电压“压”到想要的输出电压。

• 材料：通常用PMOS晶体管（压差低、响应快），早期LDO用PNP管。

• 关键参数：导通电阻越低，压差越小，效率越高。

2. 误差放大器（大脑）

• 作用：时刻对比实际输出电压和理想值，动态调整调整管的阻值。

• 原理：

  • 参考电压（如1.2V）作为“目标”。

  • 反馈电阻分压后得到当前输出电压的“采样值”。

  • 两者差异被放大，驱动调整管调整阻值。

3. 参考电压源（定海神针）

• 作用：提供一个绝对稳定的电压（如1.2V），作为误差放大器的“基准尺”。

• 实现：常用带隙基准源，温度变化时也能保持稳定。

4. 反馈网络（监工）

• 组成：两个分压电阻（R1和R2）。

• 功能：把输出电压按比例分压（比如输出5V，分压得到1.2V），送给误差放大器对比。

• 公式：输出电压 = 参考电压 × (1 + R1/R2)。

5. 保护电路（保镖）

• 过流保护：电流太大时，自动限流或关闭输出。

• 过热保护：温度超标时停机，防止烧芯片。

• 反向电流保护：防止输出电压比输入电压高时倒灌。

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五、LDO工作流程（举个例子）

目标：输入5.2V → 输出5V

1. 反馈电阻分压：5V → 分压得到1.2V（假设R1/R2=3.17:1）。

2. 误差放大器对比：参考电压1.2V vs 采样值1.2V → 无差异，调整管保持当前阻值。

3. 若负载突然变大，输出电压跌到4.8V：

   • 分压值变成1.15V（＜1.2V）。

   • 误差放大器发现“电压低了”，让调整管阻值减小，输入电流增大，输出电压被拉回5V。

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六、LDO的优缺点

• 优点：电路简单、噪声低、成本低、响应快。

• 缺点：效率低（压差×电流全变成热量），只能降压，大电流时烫手。

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七、LDO应用场景

• 电池供电设备：手机、智能手表、无线耳机。

• 噪声敏感电路：射频模块、ADC/DAC、传感器。

• 多电压系统：给CPU核、IO接口分别供电。