深入剖析 LDO 中 NMOS 与 PMOS 的差异特性
2025-06-05 10:02:38
晨欣小编
一、LDO 稳压器工作原理概述
LDO稳压器主要由以下几个部分组成：
参考电压源（Bandgap Reference）；
误差放大器（Error Amplifier）；
功率管（PMOS或NMOS）；
反馈电路（Voltage Divider）。
其基本工作过程如下：
误差放大器比较输出电压（分压后）与参考电压，并调节功率管的导通程度，使输出电压稳定在设定值。
二、NMOS 与 PMOS 基本特性对比
参数/特性
NMOS
PMOS
载流子类型 | 电子（高迁移率） | 空穴（低迁移率） |
开启条件 | V<sub>GS</sub> > V<sub>th</sub> | V<sub>SG</sub> > |
R<sub>DS(on)</sub> | 小，导通能力强 | 大，导通能力弱 |
驱动复杂性 | 需外加高压驱动 | 可直接由地参考驱动 |
适用于 | 高效率、快速响应 | 简单、低功耗系统 |
三、PMOS 架构 LDO 特性分析
1. 原理图结构
PMOS作为“高边开关”，源极接输入电源，漏极接输出端。控制端（栅极）通常由误差放大器拉低，调节其导通程度。
2. 优势
驱动简单：只需将栅极电压拉低即可导通，控制电路不需要额外升压。
结构简洁：适合面积、功耗受限的SoC内置稳压器。
无外部供电要求：全部电源自供，适合嵌入式系统。
3. 劣势
通态电阻大：空穴迁移率低导致R<sub>DS(on)</sub>较高，压差较大时功耗增大。
响应速度较慢：开关特性比NMOS慢，限制了其在高带宽LDO中的表现。
最大负载电流受限：高R<sub>DS(on)</sub>限制了其对大电流负载的供电能力。
4. 适用场景
电流需求较低（<500mA）的系统；
移动终端、摄像头模块、射频前端等对噪声敏感的应用；
内置LDO（如MCU、FPGA中）。
四、NMOS 架构 LDO 特性分析
1. 原理图结构
NMOS作为“高边开关”时，漏极接输入电源，源极为输出。控制栅极需高于V<sub>in</sub> + V<sub>th</sub>以确保导通。
2. 优势
导通性能强：电子迁移率高，R<sub>DS(on)</sub>小，适合大电流输出；
压差更低：能实现超低Dropout电压，适用于对功率效率要求高的应用；
响应速度快：MOS驱动快速，适合对瞬态响应要求高的系统。
3. 劣势
驱动电路复杂：需要提供高于输入电压的控制电压（通常借助电荷泵）；
稳定性设计更难：存在PMOS不具备的反相放大特性，需注意相位裕度设计；
增加静态功耗：电荷泵和偏置电路可能带来额外功耗。
4. 适用场景
大电流LDO（>1A）；
核心供电电源（如CPU核心电压）；
高速ADC、FPGA供电系统。
五、PMOS 与 NMOS LDO 架构对比分析
特性/参数
PMOS LDO
NMOS LDO
最小压差（Dropout） | 通常为V<sub>SG</sub> - V<sub>th</sub> ≥ 300~500mV | 取决于驱动能力，最低可至几十mV |
输出电流能力 | 适合小电流（<500mA） | 适合大电流（>1A） |
响应速度 | 中等偏慢 | 快速响应 |
静态功耗 | 较低 | 可能较高（需电荷泵） |
稳定性控制 | 相对容易 | 稳定性设计复杂 |
驱动需求 | 无需额外电压 | 需升压或电荷泵辅助驱动 |
成本 | 更低，设计简单 | 成本高，适合高性能要求场合 |
六、实际案例对比
案例1：AMS1117（PMOS典型LDO）
Dropout电压：1.1V@1A；
输出稳定性好，纹波低；
适合小型消费类设备。
案例2：TPS7A47（NMOS架构）
Dropout电压：<200mV@1A；
输出噪声极低，响应时间短；
适合音频、模拟前端供电、高性能ADC系统。
七、工程应用建议
如何选择NMOS或PMOS架构LDO：
优先考虑PMOS：
若系统设计简单，预算有限；
电流需求较低；
无需极低Dropout电压；
空间和EMI设计要求高。
优先考虑NMOS：
对负载响应、电源效率有严格要求；
大电流输出需求；
使用多个电源轨或辅助供电源；
对热设计有优化空间。
八、总结与前景展望
NMOS与PMOS各有优势，关键在于针对应用需求选择合适架构。随着工艺演进，NMOS型LDO通过集成电荷泵和稳定性补偿技术已日趋成熟，其在高性能、低功耗领域中的比重正在持续增加。而PMOS型LDO因其结构简单、功耗低、成本可控，仍将在中低端消费类市场中保持广泛应用。未来，高集成、高性能、低噪声的LDO解决方案将更多采用混合架构，如“NMOS主功率+PMOS预驱动”的复合设计，以兼顾性能与成本。
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