一篇搞定三種分立元件LDO（低成本+可調(diào)+精確輸出）

前言

LDO是大家最常見(jiàn)的電源芯片了吧，雖然存在效率不高的缺點(diǎn)，但相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源紋波更小、電路規(guī)模通常也更小，適用于低壓差、小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

在大多數(shù)場(chǎng)合我們都是用1117、7805這種IC來(lái)制作我們的電源。那我們可否在滿(mǎn)足要求的情況下，使用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)更低成本的LDO呢？

今天針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，介紹三種使用分立元件搭建的LDO：

1.低成本

2.輸出電壓可調(diào)

3.精確輸出

原理不難，但若使電路可用，需認(rèn)真設(shè)定每個(gè)元件的參數(shù)，Let’s do it

仿真軟件版本

文章中的實(shí)驗(yàn)通過(guò)Multisim軟件進(jìn)行仿真，有需要的同學(xué)自取↓

附上multisim 14.0 網(wǎng)盤(pán)鏈接，內(nèi)附PJ方法

https://pan.baidu.com/s/15NvcyeKIgk-COlvoDIfz0A

提取碼: dsmf

使用三種電路分別實(shí)現(xiàn)：

1、相對(duì)于LDO芯片實(shí)現(xiàn)更低成本;

2、輸出電壓可調(diào)；

3、隨著負(fù)載加大依然可以保證精確輸出。

LDO電路基本原理

在介紹電路之前，需要先說(shuō)明一下LDO電路工作的基本原理↓

電路三極管的CE承受不需要的電壓，也就是Vin-Vout，將這些多余的能量以熱能的形式揮發(fā)出去(在使用LDO電路時(shí)保證封裝符合散熱要求)。

利用穩(wěn)壓管，在三極管B與GND之間形成穩(wěn)定電壓，由三極管BE約0.6V的壓降后形成輸出電壓。

如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓？

當(dāng)負(fù)載存在波動(dòng)，

Vout過(guò)高，則Ube減小，三極管Uce增大，Vout減??；

Vout過(guò)低，Ube增大，則三極管Uce減少，Vout增高；

如此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

LDO的基本原理我們知道后，下面介紹三種分立元件搭建的LDO電路！在文章的最后我會(huì)說(shuō)明各個(gè)元器件的作用與取值。

1.低成本的LDO電路

先貼出電路圖和結(jié)果↓

下圖中 藍(lán)色為輸入15V（加入1V/50HZ 輸入干擾），黃色為輸出為12V。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以看到輸入的紋波經(jīng)過(guò)LDO電路后被削弱了很多，這也就是LDO電路的優(yōu)勢(shì)！

下面我們就來(lái)對(duì)比一下使用LDO芯片和分立元件所搭建的電路的成本↓

輸出端濾波電容C3、C2由于無(wú)論是L7805還是分立元件搭建，都要有，所以不在成本比較的范圍內(nèi)，L7805一枚的成本市場(chǎng)價(jià)在0.5-1元。

使用分立元件搭建的LDO約0.22元，為更低成本的選擇。

2.輸出電壓可調(diào)的LDO電路

在上文所介紹的低成本LDO電路可以滿(mǎn)足固定輸出電壓條件下的應(yīng)用需求，但是若我們要求輸出電壓可調(diào)的LDO又應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？電路圖如下↓

↑圖中的電路即為輸出電壓可調(diào)的LDO電路，將穩(wěn)壓管替代為普通二極管IN4007（其他的普通二極管也可以），并增加了三級(jí)管Q2、電阻R3、R4用于輸出電壓的調(diào)節(jié)。

輸出電壓的計(jì)算與調(diào)節(jié)原理：

輸出電壓通過(guò)R3、R4分壓后，R4的對(duì)地電壓等于三極管Q2基極的對(duì)地電壓。 我們近似的認(rèn)為Q2 BE的導(dǎo)通電壓和D2的導(dǎo)通電壓均為0.6V，那么R4的對(duì)地電壓就固定為1.2V。

＝＞　Vout*R4/（R4＋R3）＝1.2V　　

＝＞　Vout＝1.2V *（1+R3/R4）

下面再來(lái)看看什么決定了R３、R４的數(shù)量級(jí)。

若輸出Vout = 6V ，則Q1的基極電壓Vq1b = 6.6V，則電阻R2流過(guò)的電流為（12-6.6）/ 1K = 5.4mA。

當(dāng)輸出電流Iout=100mA時(shí)，Q1的基極電流Iqb1 = 2mA,則由節(jié)點(diǎn)電流法可知Q2的C級(jí)以及E級(jí)電流為3.4mA,那么Q2基極電流應(yīng)該為170uA左右，則反饋電阻R3、R4流過(guò)的電流應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于170uA，所以1-2mA比較合適。

則R4取值為1K。若要輸出6V那么通過(guò)Vout＝1.2V *（1+R3／R4）計(jì)算得知R3為4K，通過(guò)輸出結(jié)果校正后當(dāng)R4=1K、R3=3.65K時(shí)輸出為6V，當(dāng)需要調(diào)整輸出端電壓時(shí)通過(guò)調(diào)整R3即可。

3.精確輸出的LDO電路

之前所介紹的1.低成本的LDO電路、2.輸出電壓可調(diào)的LDO電路都存在一個(gè)問(wèn)題，那就是在負(fù)載增大時(shí)輸出電壓會(huì)出現(xiàn)下降，如下圖所示↓

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載↓

負(fù)載增大↓

負(fù)載再增大↓

通過(guò)不斷增加負(fù)載我們可以看到輸出電壓分別為6.04V、6.00V、5.88V，出現(xiàn)了一定的偏差，我們來(lái)分析一下原因↓

當(dāng)負(fù)載加大時(shí)LDO產(chǎn)生輸出誤差的原因

當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，由于輸出電流增大，那么三極管Q1的基極電流便會(huì)增大，則保證穩(wěn)壓的穩(wěn)壓管或者普通二極管流過(guò)的電流減小，流過(guò)不同的電流值就會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓管級(jí)二極管兩端的壓降不同，由于參考電壓產(chǎn)生了變化，輸出產(chǎn)生誤差則是必然！

我們來(lái)看一下穩(wěn)壓管和普通二極管的工作曲線(xiàn)↓

①穩(wěn)壓管工作曲線(xiàn)

當(dāng)流過(guò)穩(wěn)壓管的電流Iz變化時(shí)，穩(wěn)壓電壓Uz會(huì)略微變化，這就會(huì)產(chǎn)生輸出誤差。

②普通二極管工作曲線(xiàn)

當(dāng)流過(guò)二級(jí)管的正向電流變化時(shí)，正向?qū)妷篣會(huì)變化，這也會(huì)產(chǎn)生輸出誤差。

下面將介紹的精確輸出的LDO電路為了解決負(fù)載加大時(shí)的輸出誤差。

使用運(yùn)算放大器（射級(jí)跟隨器）來(lái)作為參考源，使用運(yùn)算放大器產(chǎn)生的參考電壓誤差會(huì)大大減小，精確的參考電壓就保證了精確的輸出電壓。

我們先來(lái)看下效果↓

在仿真中，負(fù)載變化，但是輸出電壓精準(zhǔn)的保持在6V，相比于之前的LDO精度提高了很多。在仿真中如此，在實(shí)際的應(yīng)用中也如此，使用此中的LDO輸出精度會(huì)取得相當(dāng)大的改善！

實(shí)際搭建電路時(shí)要注意的器件參數(shù)

①首先是三極管的確定

由于我們要求的輸出電流是50mA，為留有余量，IC>=100mA；Uce max >= 15V。滿(mǎn)足這一要求的NPN三極管有很多，我們選用multisim庫(kù)中的2N2712。功率為P= 6*0.03 = 0.18W,SOT23封裝的功率為如下：

為保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們可以在實(shí)際制作時(shí)使用TO92封裝三極管。

三極管的其他參數(shù)也貼出來(lái)，符合本電路的應(yīng)用要求↓

②穩(wěn)壓管的確定

以本文第一個(gè)電路為例若我們要實(shí)現(xiàn)12V的輸出，加上三極管BE電壓0.6V，要求穩(wěn)壓管12.6V。但是沒(méi)有12.6V的穩(wěn)壓管，那我們選13V的穩(wěn)壓管 1N4468。

1N4468的參數(shù)如下↓

我們重點(diǎn)看IZK，也就是最小穩(wěn)壓電流，這里是1mA，只有在IZ大于1mA時(shí) 穩(wěn)壓二極管才能穩(wěn)壓，我們?yōu)楸ｋU(xiǎn)起見(jiàn)，取2mA。

=>那么原理圖中的R1 = （15-13）/0.002 = 1K；

=>穩(wěn)壓二極管的功耗 = 0.002*13 = 0.026W;

=>電阻的功耗 = (0.002+ib)*2。ib 約為 ic/80，也就是0.6mA左右。

=>則 電阻功耗= (0.003)*2 = 0.006W;

功耗很小，穩(wěn)壓二極管的功耗和電阻封裝都滿(mǎn)足功耗要求。

③濾波電容的取值

遵循公式↓

I 是放電電流， V 為紋波，f為頻率（開(kāi)關(guān)頻率及負(fù)載工作頻率）

這里的計(jì)算只是參考，實(shí)際搭電路的時(shí)候可以根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整。

④去耦電容的取值

去耦電容C2一般取值為濾波電容的1/5-1/10，可根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行調(diào)整。