设计预跟踪稳压器，第 1 部分：提高LDO输出效率

1.前言

低压差稳压器 (LDO) 的效率取决于其输入电压和输出电压，因为从电源汲取的输入电流将等于 LDO 输出所需的电流。因此，LDO 中较高的输入和输出电压差会转化为较低的效率值，反之亦然。低效率的 LDO 会转化为功率损耗并导致设备内部发热。

有时，由于其低噪声特性，我们将需要在负载点使用 LDO。例如，在汽车后置摄像头设计中，LDO 可以为平板显示器 (FPD)-Link 串行器的模拟电路供电，这通常需要 1.8V 电源轨。由于输入电压轨通常从电池（12 V 或 24 V）开始，因此提高整体系统效率的一种方法是使用 DC/DC 转换器作为第一级转换，然后使用 LDO。

2.LDO的优点

既然是作为低压差稳压器，那么首先第一个特点就是极低的输入输出电压差，

其次它还具有电压输出稳定、噪声小、纹波小、体积小、外围电路简单等。在设计电路时候如果用到LDO稳压器，一般需要至少考虑四个因素：静态电流、输入输出压差、噪声以及纹波抑制比。

①静态电流IQ：IQ是低压差线性稳压器的一种重要设计参数，可以理解为没有信号输出情况下IC本身消耗的电流，现在产品越来与趋向于小型化，同时要求功耗更低，像STM32这样高性能芯片，其功耗可低至2μA。基于此，很多便携式电子产品，特别是带电池类产品都喜欢用低功耗的LDO产品，因为待机功耗小，使用时间也就长；

②输入输出压差VDROP：LDO要求输入电压要稍大于输出电压，即VDROP=Vin - Vout，这个差值不能太大，要不然稳压精度会受到影响，可以看出LDO只能降压而不能升压；

③噪声：噪声其实是一个统称，是衡量一款电源产品优秀的重要参考因素，它里面包含耦合、谐振等；

④纹波抑制比：电源变化量与输出变化量的比值，是输出信号受电源影响比值，反映LDO抑制信号源的能力。

3.如何提高LDO输出效率

由于 LDO 效率取决于其输出和输入电压之间的差异，因此提高整体系统效率的另一种方法是使用跟踪预调节器电路，如图 1 所示。在这种情况下，DC/DC的 VOUT将始终被调节到高于LDO的 VOUT的固定量。图 1 中的电路使我们可以灵活地动态调整 LDO 电压，而无需单独调整 DC/DC 转换器上的电压。

图 1 中所示的预稳压器电路使用 TI 的 LMR33630 同步降压转换器和 TPS7A1601 LDO 评估模块 (EVM)，并对 LMR33630 反馈网络进行了一些修改。此处选择的 LDO 是 60V LDO，但我们也可以使用较低电压的 LDO，例如 TPS7A4701。

图1：带有 LMR33630 和 TPS7A1601 的正跟踪预调节器

在图 1 中，来自 LMR33630 的反馈产生恒定电流 IFBB，该电流流经反馈网络 RFBT 和 RFBB。

图 2：硬件实现

在该配置中，在VOUT的DC / DC将跟随在VOUT根据等式1 LDO的：

为了调整 LDO 的余量，只需调整 RFBT 的值：IFBB 将保持不变。

在图 1 的示例设计中，TPS7A1601 EVM 设置为生成 5V 输出；LDO 输出电压通过一个 10kΩ 电阻连接到 2N4403 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP) 晶体管的基极。由于 LMR33630 的内部基准电压为 1V，因此 LMR33630 的 VFB 上的电压也被调节为 1V。

根据公式 1，IFBB 的值 = 1 V/10 kΩ= 0.1 mA。2N4403 的 Vbe 约为 0.6V：通常，LMR33630 输出电压将比 LDO 输出电压高约 1.6V；这是 LDO 余量。

图 3 和图 4 中的波形说明了系统的性能。

图3：启动波形，LMR33630 跟踪 LDO 电压

图4：LMR33630 跟踪 LDO 电压的上升斜坡（LDO 反馈网络被注入斜坡以控制其输出电压）

如图 4 所示，TPS7A1601 电压 rmps 上升，上升时间为 200 µs，LMR33630 输出电压跟踪非常好，比 LDO 电压高 1.6 V。由于 LDO 上的输出电流较小，这意味着 LMR33630 上的负载很小。因此，在向下转换期间，LDO 电压下降得比 LMR33630 输出电压更快（注意图 5 中显示的时基）。一旦两个电压都稳定下来，我们可以在图5中看到 LMR33630 输出电压仍然比 LDO 电压高 1.6V。

图 5：LMR33630 跟踪 LDO 电压的下降斜坡

要检查的最后一件事是通过在 TPS7A1601 LDO 的输出端执行负载瞬态测试来检查整体系统稳定性。图 6是一个示波器捕获，显示了 TPS7A1601 LDO 输出端从 0 到 100 mA 的负载瞬变。示波器截图显示，即使在负载瞬变期间，LMR33630 也会跟踪 TPS7A1601 LDO 输出电压。

图6：TPS7A1601 从 0 到 100 mA 的负载瞬态波形（VOUTDCDC 和 VOUTLDO 交流耦合）

如我们所见，可以使用跟踪预稳压器通过最小化 LDO 的输入和输出电压之间的差异来提高带有 DC/DC 转换器的 LDO 的整体系统效率。