【电源专题】线性稳压器基础（线性稳压器是哪里线性了？）

线性稳压器为什么被称为线性稳压器？是哪里线性了？在【电源专题】线性稳压器（LDO）简介中我们介绍到，目前大多数的线性稳压器使用PMOS架构。因此我们今天就以PMOS为例，从原理上了解线性稳压器为什么说是线性的?

首先我们要了解一下恒压源的原理：

稳压器是一种恒压源，可以根据负载电阻发生的变化的情况下调整内阻，从而达到稳定电压的目的。如下图所示恒压源的内阻必须要明显小于外部负载电阻（RIN<

输出电压可以计算为：

在空载的状态下（RLOAD=∞） ，最大的输出电压与输入电压相等(Vout-max= VIN) 。随着负载的增加，输出的电压将从最大值一直下降。这里我们引入一个输出电压误差Evo。输出电压误差(Evo)定义为：空载条件下的Vout（Vout-max）与负载条件下的Vout(Vout-load)之间的差值与空载条件下输出电压的百分比。如下公式：

将Vout-max用Vin进行替换，又因为整个回路上的电流是相等的，所以可以使用电阻Rin和Rload表示：

将Evo以图形的形式进行表示，画出Evo与Rload/Rin的关系图。随着负载电阻的增加，Evo逐渐减小。

负载的变化导致输出电压也跟着变化，这不是我们需要的稳压器。所以为了最大限度的减小这样的误差，就需要一个电路来感应负载发生变化，并通过否种方式进行反馈，调整内部电阻（Rin）阻值，使之与负载电阻的比率恒定。这样Evo就保持了恒定。而此时Rin与Rload承线性关系。

将上图的拓扑中的可变电阻使用晶体管或MOS管，通过调整可变电阻来实现这种关系的电路就形成了最基础的线性稳压器（LDO）。如下图所示：

通过上图，我们可以了解到构成LDO的几个重要组成部分：

电压参考（Vref）:电压参考是所有稳压器的起点。参考通常是带隙型(带隙基准源)，因为这种参考有能力在低电源电压下工作，并提供足够的精度和热稳定性，以满足稳压器性能要求。带隙基准源的初始误差通常是0.5%至1%，温度系数为25ppm/°C 到50ppm/°C 。(其中ppm为百万分之一)

误差放大器：误差放大器得到的电压是输出电压经过R1和R2等比例缩小的电压[Vp= Vout*R1 / (R1 + R2)] 。一般规格书都会给出如下公式来计算输出电压可调LDO的输出电压，前提是Vin要足够的高，能保持LDO需要的压降时，这个式子才能成立。我们在星球文章：【电源专题】回顾：了解LDO的的专业术语与定义 1中的压降有介绍。

误差放大器将反馈电压Vp与参考电压Vref比较，通过控制串联元件（调整管）将Vout调整到所需要的值。此时误差信号(Verr = Vp – Vref) 将趋近于0。

反馈网络：反馈网络将 Vout调整为适合由误差放大器与 VREF 进行比较的值，也是我们在应用输出电压可调的LDO时需要外部配置的电阻网络。由于误差放大器的内部参考电压Vref 是固定的，因此调节输出Vout 值的唯一方法是调整 R1、R2的值，从而来调整输出的电压值。

串联元件：在LDO中串联元件就是使用的调整管。如果使用晶体管的话，串联元件会将误差放大器的输出电流能力提升到负载所需的更高水平。如果使用PMOS增强性场效应管其原理下(今天我们着重以PMOS来介绍)：

PMOS具有源极（S）和漏极（D）的两个P沟道嵌入n型基板中，基板连接到源极（S），漏极接收最低的电势。正如PMOS的名称表示的是器件使用的是空穴导电，这是通过向栅级（G）施加一个负电位来建立的。空穴是n衬底中少数的载流子。被栅级的负电位吸引，成为自由载流子，向上部两个P沟道的区域移动，形成导电沟道。由于导电沟道由VGS控制，漏极电流也同时被控制。因为这种类型的FET随着VGS的增加导电性也增加，因此称为P沟道增强型场效应管。

PMOS的LDO结构可如下图所示：可以了解到LDO进行电压调节的步骤。

当负载电阻下降时，输出电压从Vout1下降到Vout2，调整管从-Vds1到-Vds2。输出电压通过反馈电路形成一个缩小版本的vp，vp在Vout下降的过程中也显著的下降，导致低于参考值Vref，误差放大器输出的电压也变小了。控制栅源电压-Vgs从-Vgs1到-Vgs2，负电压增大导致PMOS中输出电流（Iout1到Iout2）增加(是因为PMOS的导通电阻变小了)，则建立在负载的电压也增加，直到增加值通过反馈电路反馈的电压与内部参考电压一致时，电源输出稳定。

如下图所示：

下图显示了PMOS的工作顺序，当负载下降时，PMOS FET的工作点从P1跳到P2再调节到P3。（-Vgs逐渐增大）

我们可以定义PMOS FET的内阻和负载电阻。

将式2的Iout代入式1，求解Rin

得出k值 = VDS/VOUT 提供了线性稳压器的线性关系。

李光熠

---

欢迎关注我的知识星球【一点硬件】，想与你一起学习成长，成为最棒的自己。