DC-DC｜基礎篇
LDO基礎知識
2026.03.18
低壓差線性穩壓器（以下簡稱LDO）是一種半導體元件，是在輸入與輸出的電壓差較小的狀態下，也能進行工作的線性穩壓器統稱。LDO的特點是即使輸入與輸出電壓差很小仍能獲得穩定的輸出，因此被廣泛應用於電池驅動的移動設備，以及注重低功耗和小型化的應用場景中。具體而言，在直接由鋰離子電池驅動電路時採用LDO，就是一個典型的案例。
本文我們將介紹LDO的工作原理與電路結構、設計時應考慮的規範和特性等內容，同時整理在導入LDO時需要掌握的要點。
什麼是LDO？（定義和基本原理）
LDO是一種即使在輸入電壓與輸出電壓之差（輸入輸出電壓差）較小的情況下，仍能維持一定輸出的線性穩壓器。與普通的三端穩壓器相比，其顯著特點在於所需輸入電壓的餘裕量更小。本節我們將簡要回顧LDO的定義和歷史背景，並介紹其被眾多設備廣泛採用的原因。
LDO的含義與由來（“Low Dropout”的詞源與定義）
LDO是「Low Dropout Regulator」的英文首字母縮寫，表示其具有低壓差。壓差是指“維持穩定的穩壓所需的最小輸入電壓與輸出電壓之差”。一般的傳統線性穩壓器通常需要比輸出電壓高數V的輸入電壓，而LDO可將這一差值控制在數百mV，有些產品甚至可至數十mV。大多數LDO內部包含通路元件（雙極電晶體或MOSFET）、誤差放大器及保護電路，能否滿足各項規格（輸入電壓範圍、輸出電流範圍等）是選擇時的關鍵考量因素。
例如，在需要3.3V的輸出而輸入僅為4.0V左右的條件下，LDO仍有可能穩定工作。這種“低壓差”有助提高電源效率並減少熱損耗，因此在追求節能與小型化的設備中發揮著重要作用。
與傳統線性穩壓器的區別
線性穩壓器透過內部的通路元件（電晶體等）將輸入電壓中多餘的電壓以熱的形式耗散掉，進而實現穩定輸出。傳統線性穩壓器在輸入與輸出電壓差較大時較易於設計，但當輸入輸出電壓差變小時，則難以正常工作。
相比之下，LDO透過採用在線性（電阻）區域易於保持低導通電阻的電晶體等方式，使其即使在輸入輸出電壓差很小時也能工作。具體而言，透過將雙極電晶體或MOSFET以Source Follower或Emitter Follower等結構工作，可以將壓差電壓控制在數百mV以下。
許多傳統線性穩壓器要求輸入電壓比輸出電壓高2V以上，其設計是以（輸入電壓 − 輸出電壓）較大的情況為前提的。而LDO即使在電池驅動等輸入電壓下降的應用中，仍易於保持額定輸出直至極限狀態，因而在節能與低發熱等方面具有優勢。
LDO備受關注的理由（低壓差、低功耗、小型化等）
LDO受到關注的原因主要有以下幾點：
- 低功耗：壓差電壓越低，浪費的功耗就越少。
- 熱設計簡化：透過抑制輸入輸出電壓差，可減少產生的熱量，有時使用小型散熱片即可。
- 小型化與電池工作：在移動設備等應用中，即使電池的電壓下降，仍易於維持工作。
- 雜訊方面：與開關穩壓器相比，不易產生高頻雜訊。
因此，LDO被廣泛應用於從電池驅動應用到通訊設備以及工業設備等諸多領域。本節主要總結了概念性的理解，後續章節將進一步詳細介紹其電路結構和工作原理。
LDO的電路結構和工作原理
LDO在透過回饋控制來保持輸出電壓穩定方面，與普通的線性穩壓器相同。然而，為了將輸入輸出電壓差控制得較小，在其內部結構、所用電晶體類型及保護功能等方面均採取了特殊設計。本節將介紹LDO的主要電路模組，並闡述其能夠實現低壓差的原理。
主要模組（通路元件、誤差放大器、保護功能）概述
LDO的結構本身相對簡單。透過組合以下主要模組來維持恒定的輸出電壓。
- 通路元件（Pass Element）
使用雙極電晶體或MOSFET來控制從輸入到輸出的電流。近年來，也有很多LDO透過內建電荷泵或控制電路等特殊設計，使其即使在較低的閘源電壓下也能驅動。 - 誤差放大器（Error Amplifier）
監測輸出並與參考電壓進行比較，進而控制通路元件。其增益特性與回應速度對精度和瞬態回應有很大影響。 - 保護功能
內建過流保護、過熱保護及反向電流保護等功能，確保LDO自身的安全性和對負載端的保護。
壓差電壓的原理
LDO特點—壓差電壓的定義為：通路元件在提供電流的同時，能保持正常控制的最小輸入輸出電壓差。例如，對於使用PNP電晶體的LDO，其射極-集極間電壓與基極-射極間電壓在臨近飽和狀態工作時的總和會決定壓差電壓。其簡單的模型公式如下所示。
\(V_{dropout}≈V_{CE(sat)}+V_{overhead}\)
- VCE(sat)：飽和區的集極-射極間的電壓
- Voverhead (control margin)：誤差放大器為避免通路元件飽和而確保的餘裕量電壓（用於吸收溫度、製程偏差以及環路增益下降的數十mV級別）
另一方面，基於MOSFET的LDO則透過在內部巧妙地設計閘極控制電路，使其能夠在低壓差區域內驅動P通道或N通道的MOSFET。例如，透過電荷泵等對閘極電壓進行補償，使得即使從外部看到的輸入—輸出電壓差在數百mV以下也能工作。當負載電流為Iout，MOSFET的導通電阻為RDS(on)時，可以表示如下（有時還需加上控制電路所需的最低電壓差。）：
\(V_{dropout}=I_{out}×R_{DS(on)}\)
-
雙極型LDO時
- 從產品規格書或電晶體特性中讀取飽和電壓VCE(sat)。
- 加上偏置電壓VBE和控制電路的餘裕量電壓，估算壓差電壓。
-
MOSFET型LDO時
- 假定負載電流Iout。
- 確認RDS(on)，並透過Iout × RDS(on)計算出最小所需壓差。
- 同時考慮因閘極驅動電壓而產生的額外餘裕量，最終求出壓差電壓。
低雜訊設計和反向電流保護的要點
與開關穩壓器相比，LDO具有高頻雜訊更少的優點。但是，根據通路元件的選擇及內部電路結構的不同，雙極電晶體的基極電流路徑或參考電路的雜訊也可能成為問題。設計時需要考慮的要點如下：
- 旁路電容
在參考電路或誤差放大器的電源引腳附近接入小容量電容，以去除雜訊。 - 佈局優化
合理配置輸入輸出電容，優化GND佈線，以抑制尖峰和漣波。 - 反向電流保護（Reverse Current Protection）
若電流從電池反向流入穩壓器，會導致誤動作或損壞。可添加保護二極體或開關元件等進行防護。
LDO的種類和主要參數
LDO根據其內部所用元件和設計思路，可分為多種類型。同時在選擇時也存在一些需要共同評估的參數。本節將對LDO的代表性種類以及評估其性能時不可或缺的主要參數進行梳理介紹。
按電壓範圍分類（高電壓和低電壓適用）
LDO的特點是低壓差，但其輸入電壓範圍的跨度較大。例如，既有適用於5V以下工作的電池驅動的低電壓LDO，也有適用於超過30V或40V高輸入電壓的車載及工業設備的LDO。支援高電壓的LDO，其功率電晶體通常具有更高的耐壓和更強的保護功能。而對於生成1V左右等超低電壓領域的LDO，其在MOSFET的基礎上對閘極驅動進行優化，進而將壓差降至極限。
低雜訊、低靜態電流、PSRR、線性調整率和負載調整率
低雜訊和低靜態電流
- 低雜訊型
適用於為類比電路或無線電路供電等時，雜訊對WW品質影響較大的應用場景。其設計降低了參考電路和誤差放大器的雜訊，並儘量抑制了通路元件的開關雜訊。 - 低靜態電流（Iq）型
目的是透過將待機時的消耗電流控制到很小，來延長電池的驅動時間。有些產品透過小容量電容和簡化的內部電路結構，將靜態電流控制在數µA以下。
PSRR（Power Supply Ripple Rejection）
PSRR是衡量輸入側的漣波或雜訊有多大程度傳遞至輸出側的指標。通常以頻率特性表示，尤其在數十kHz以上的高頻區間的PSRR備受重視。例如，在音訊電路或高精度類比電路中，選擇PSRR高的LDO可減少電源雜訊的影響，有助提高精度。其定義如下：
\(PSRR(f)=20log_{10} \left( \frac{\large{V_{ripple,in}(f)}}{\large{V_{ripple,out}(f)}} \right)\)
數值越大，表示對輸入漣波的抑制能力越強。其中，Vripple,in(f)為輸入側的漣波電壓，Vripple,out(f)為輸出側殘留的漣波電壓。
過程計算示例（PSRR求解過程）
- 在輸入端施加已知振幅的漣波電壓（例如：10mV峰值）。
- 測量輸出端出現的漣波幅度（例如：1mV峰值）。
- 分別以振幅或RMS進行比較，並按如下方式計算：
\(PSRR(f)=20log_{10} \left(\frac{\large{10mV}}{\large{1mV}}\right)=20log_{10}(10)=20dB\)
線性調整率和負載調整率
- 線性調整率
表示輸入電壓變化時輸出電壓的波動程度。通常表示如下（常用mV/V或%/V表示）：
\(Line \ regulation=\frac{\large{ΔV_{out}}}{\large{ΔV_{in}}}\)
- 負載調整率
表示負載電流變化時輸出電壓的波動程度。表示如下（常用mV/mA或%/mA表示）：
\(Load \ regulation=\frac{\large{ΔV_{out}}}{\large{ΔI_{out}}}\)
二者都是量化LDO電壓控制性的指標。產品規格書中會標明Max值和typ值。考慮工作溫度範圍內的波動情況，並確認所實現的電路是否滿足必要的要求非常重要。
效率和熱設計（功耗、發熱、封裝）
作為線性穩壓器的LDO，其基本功耗可用以下公式進行估算：
\(P_{diss}=(V_{in}-V_{out})×I_{out}\)
這是輸入電源提供的功率與輸出端所用功率之差。
這部分損耗幾乎全部以熱的形式散發，因此當輸入輸出電壓差較大或處理大電流時，發熱會增加，需要考慮散熱器或電路板佈線時的散熱設計。
與開關穩壓器不同，LDO在提升效率方面存在一定侷限，但透過盡可能降低壓差電壓，可以抑制輸入與輸出間的電壓差，進而減少損耗。此外，由於不同封裝的熱阻不同，所以選擇PowerPAD或倒裝晶片等散熱特性優良的封裝也至關重要。
負載回應、瞬態回應和啟動特性
當電源負載發生暫態增減時或LDO啟動時，輸出電壓的穩定程度是設計階段需要重點關注的內容。
- 負載回應
負載電流驟變時輸出電壓波動的大小及恢復所需的時間。受誤差放大器的速度、輸出電容的容量和內部電阻等因素影響。 - 瞬態回應
電壓暫時出現過衝或下衝的現象。在需要高速回應的應用場景（如高速數位電路）中，可能成為問題。 - 啟動特性
LDO在通電時輸出電壓上升過程中的動作。為避免急遽上升對負載造成不良影響，部分產品具有軟啟動功能。
近年來，還出現了將控制IC與周邊電路集成一體的LDO模組，這種減少電路板安裝工序和外接元件選擇工作量的方法備受關注。此類模組型產品的工作範圍和散熱設計明確，適合重視開發速度的應用場景。
LDO與其他方式的比較及選擇方法
除了LDO之外，還有多種電壓調節方式，每種方式各有其優缺點。本節將透過與經常被比較的開關穩壓器和傳統線性穩壓器進行對比，重新確認LDO的特點，並梳理出不同應用場景的選擇要點。
開關穩壓器 vs LDO（功耗和效率比較）
開關穩壓器透過脈衝寬度調製（PWM）和脈衝頻率調製（PFM）等方式使開關元件高速導通和關斷，經由電感和電容形成輸出電壓。代表性方式有降壓（Buck）、升壓（Boost）與升降壓兩用（Buck-Boost）等。在電晶體與二極體（或同步整流MOSFET）損耗更小時流通電流，進而實現高效率，效率超過80〜90%也並不罕見。
另一方面，開關穩壓器通常需要電感和大容量電容等外接元件，佔用安裝空間且電路設計複雜。此外高速開關容易引發雜訊（EMI）與漣波，因此需考慮透過遮罩或優化佈局予以抑制。
LDO以線性方式控制從輸入電壓至輸出電壓的電力，因此會產生（Vin – Vout）×Iout所示的損耗，這部分損耗作為熱量被耗散掉。從效率角度比較，開關穩壓器根據負載電流和設計的不同，可實現80%至90%以上的效率，而LDO的效率近似如下：
\(η≈\frac{\large{V_{out}}}{\large{V_{in}}}×100\%\)
輸入輸出電壓差越大，效率就越低；但當壓差電壓非常小時，由於（Vin – Vout）本身可以抑制得很小，因此在實際應用中有時仍可維持一定的效率。此外LDO具有不易產生高頻雜訊的優點，同時其外接元件只需輸入輸出電容，這使得它安裝簡單且輸出漣波較小。
總而言之，若存在較大的壓降或更加注重高效率時，更適合選用開關穩壓器；而在電壓差較小的環境或對雜訊敏感的類比電路等應用中，LDO更為有效。
傳統線性穩壓器 vs LDO（與三端穩壓器等的區別）
傳統線性穩壓器設計時，通常要求輸入電壓留有約2～3V的餘裕量，並以通路元件在遠離飽和區的狀態下進行控制為前提。而LDO則透過將通路元件的工作點推至接近飽和的狀態，進而成功地將壓差控制到數百mV以下。
- 通路元件的選擇與結構
傳統線性穩壓器為實現控制，通常在基極–射極電壓或集極–射極電壓上留出一定餘裕量；而LDO透過採用MOSFET使其在閘源電壓較小時也能工作，或透過電路設計使雙極電晶體也允許在接近飽和狀態下進行控制等，以此降低壓差電壓。 - 回饋電路的優化
傳統線性穩壓器的控制特性相對寬鬆，而LDO則通常透過優化誤差放大器的偏移電壓和內部參考源設計，確保在較低電壓差下仍能實現穩定控制。 - 應用領域的差異
傳統線性穩壓器多用於將AC適配器等較高的輸入電壓降壓並輕鬆實現穩壓的應用場景，而LDO則在電池驅動或使用1～2V低電壓的數位IC等要求低電壓和低功耗的環境中更具發揮優勢。
不同應用場景中考慮的LDO選擇要點
LDO的主要選擇要點如下：
- 所需的輸入輸出電壓差
當電池的終止電壓（最低電壓）接近輸出電壓時，必須選擇壓差電壓小的LDO。 - 可容許的發熱量
由於LDO的（Vin – Vout）×Iout會轉化為熱，因此散熱設計和封裝的選擇很重要。 - 雜訊敏感度
在類比電路或高頻電路中，PSRR和低雜訊特性尤為重要。 - 消耗電流
對於希望儘量降低待機電流的應用場景，優先選擇低Iq型。 - 負載波動和回應速度
對於有急遽負載波動的電路，建議選用瞬態回應性能優異的LDO。
LDO設計和安裝中需掌握的關鍵要點
在實際將LDO嵌入電路時，應參考產品規格書中推薦的元件和佈局指南，進行滿足各項特性的設計。本節將逐步介紹典型的設計流程和注意事項。
電路示例和設計流程（基礎設計～元件選擇）
LDO的設計流程大致遵循以下步驟：
- 確認輸入輸出電壓範圍
根據是電池驅動還是AC適配器等，掌握預期電源的最小和最大電壓。 - 確認所需的輸出電流和負載特性
掌握最大負載電流將達到多少A，並瞭解暫態負載波動幅度。 - 確認LDO候選產品
參考產品規格書，尋找滿足壓差電壓、PSRR、消耗電流、保護功能等要求的產品。 - 選擇週邊元件
由於輸出電容的容量和ESR範圍直接關係到LDO工作的穩定性，務必確認製造商的推薦值。 - 熱設計
結合封裝和安裝條件，計算（Vin – Vout）×Iout是否在容許範圍內。必要時考慮擴大銅箔面積等散熱措施。
週邊元件選擇（輸入與輸出電容、防反向電流二極體等）
LDO的輸出電容對於確保相位補償與誤差放大器的穩定工作至關重要。產品規格書中通常會寫明推薦容量和ESR範圍，若偏離這些範圍，可能導致振盪或瞬態回應惡化。
輸入電容用於輔助暫態電流供應以及抑制輸入電源的漣波。通常採用數µF的陶瓷電容，但若預計存在較大的負載波動，有時可追加更大容量的電容。
防反向電流二極體在存在電池等備份電源時需要考慮使用。在多電源切換的設計中，通常會加入二極體以防止電流透過LDO的通路元件發生反向流動。
佈局和佈線的注意事項（雜訊對策和GND佈線等）
雖說LDO基本上雜訊較少，但仍建議在佈局時注意以下事項：
- 確保最短路徑
將輸入電容和輸出電容安裝在LDO引腳附近，以減少不必要的佈線電感和寄生電阻。 - 統一管理GND佈線
根據需要將電源GND和信號GND分離，防止雜訊混入測量系統。 - 確保熱擴散
若有散熱焊盤，應在電路板內層或背面設置過孔，以促進散熱。
保護功能的運用和電源時序（按需簡要使用）
LDO通常配備過流保護、過熱保護等安全功能，但重要的是不要過度依賴這些功能，而應評估實際環境中可能出現的超載程度後進行選擇。
另外，對於多電壓的CPU和FPGA等需要多路電源線按順序啟動時，有時會使用LDO的使能引腳進行時序控制。結合延時電路或微控制器控制，使所需電源適當啟動，進而提升系統運行的可靠性。
LDO的最新技術動向
近年來，在LDO領域，針對更嚴苛的低功耗要求與縮減安裝空間的需求日益增多，以下新的技術方案備受關注。這些技術透過實現“超小容量輸出電容的適用”和“高速負載回應性能的提升”，正在逐步克服傳統LDO難以應對的難題。
使用很小容量的電容也能穩定工作的技術
- 技術概要
傳統LDO為確保穩定工作，通常需要1µF左右的輸出電容。最近，透過對類比電路寄生分量的徹底優化，改進誤差放大器和佈線，出現了使用nF量級的電容也不會發生振盪的控制技術。 -
主要優勢
- 減少元件數量和安裝空間：可大幅減少輸出電容的容量與數量
- 降低成本：透過電容小型化或數量削減，有望降低成本
- 提升可靠性：透過減少汽車與工業等領域中常用的電容安裝數量，降低元件故障風險和安裝不良風險
實現高速負載回應的技術
- 技術概要
為了在負載電流急遽變化時將輸出電壓的波動幅度控制在更小範圍，已開發出提升LDO內部回饋電路與誤差放大電路速度的技術。代表性的方法是透過將控制系統和補償系統分離或組合多級專用放大器，進而在避免發生不穩定振盪的前提下，將回應速度提升至極限。 -
主要優勢
- 提升電源品質：可迅速回應數位IC急遽的消耗電流變化，和高精度類比電路的暫態負載波動
- 優化電容容量：即使不採用大容量電容，也能獲得足夠的回應性能，進而提升設計靈活性
持續演進與未來展望
- 新技術的結合
透過將“適用很小容量的電容”和“高速負載回應技術”相結合，正逐步實現例如採用nF級電容時，仍可在急遽的負載波動下保持穩定輸出的LDO。 -
應用領域的擴展
物聯網設備和可穿戴設備等需要兼顧低功耗和小型化的應用需求預計將持續成長。此外在汽車和工業設備領域，不僅要求縮小安裝空間，還需實現更高可靠性（滿足溫度特性和耐壓等安全標準），這使得配備上述先進技術的LDO受到越來越多的關注。
各半導體製造商正不斷擴充匯集多個電源線的模組化LDO，以及實現系統整體節能的解決方案，其應用領域正在不斷擴大。
總結
LDO能夠在保持輸入輸出電壓差較小的狀態下工作，因體積小、低雜訊、節能而被應用於各類設備。適用於移動設備、車載設備和工業設備等各種領域中需要低功耗和散熱對策的電路。
LDO基礎要點回顧
- 定義：Low Dropout Regulator是即使輸入輸出電壓差很小也能工作的線性穩壓器
- 電路結構：透過通路元件、誤差放大器和保護功能來穩定輸出電壓，其特點是採用低壓差電壓設計
- 主要參數：壓差電壓、PSRR、線性調整率和負載調整率、發熱和效率、負載回應等是選擇時的重要參數
- 比較：與開關穩壓器相比雜訊更少，與傳統線性穩壓器相比可在更低壓差下工作
- 設計和安裝：週邊元件選擇和佈局直接關係到工作的穩定性，同時需要考慮熱設計和保護功能
未來趨勢
近年來，物聯網設備和可穿戴設備等電池容量有限卻要求長續航的領域不斷增加。在這些領域，超低壓差、超低靜態電流規格的LDO需求日益成長，各製造商正致力提升其特性。此外針對車載系統也開發了很多高耐壓LDO，LDO在工業與汽車領域也得到了廣泛應用。
另外在需要複雜電源結構的系統中，通常會使用開關穩壓器進行初步降壓，然後在最後階段使用LDO來降低雜訊。由此可見LDO在電源設計中佔據重要地位，未來在高性能和超低雜訊等方面的技術演進也備受期待。
【下載資料】 線性穩壓器基礎
本資料是線性穩壓器的基礎內容，涵蓋了其工作原理、種類、電路組成特色、優缺點等內容，另外還說明了線性穩壓器的代表性規格數值、以及有關效率和熱計算等內容。
DC-DC
基礎篇
- 升壓型DC-DC轉換器的最大輸出電流 －前言－
- 升壓型DC-DC轉換器關斷時的工作
- 升壓電源負載短路引發的問題及其保護電路 －前言－
- 降低升壓電源輸出中的開關雜訊 －前言－
- 升壓型DC-DC轉換器的輸出漣波電壓 －前言－
- 開關穩壓器的基礎
- 輸入輸出電壓和元件常數對最大輸出電流的影響
- 線性穩壓器的基礎
- 總整理
- 電源電路的七大標配：從低雜訊型到升壓型！
- 何謂DC/DC轉換器？
設計編
評估篇
應用篇
- 使用線性穩壓器的電源設計要點
- 案例1：手工焊接導致IC和週邊元件受損
- 何謂LDO線性穩壓器的並聯
- 線性穩壓器的簡易穩定性優化方法 —前言—
- 使用通用電源IC實現電源時序控制的電路
- 使用浮接型線性穩壓器進行電源設計時的要點 —前言—
產品介紹
FAQ