【線性穩(wěn)壓電源】線性穩(wěn)壓器的原理 線性穩(wěn)壓電源優(yōu)缺點(diǎn)

線性穩(wěn)壓器主要包括普通線性穩(wěn)壓器和LDO（Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器）兩種類(lèi)型，它們的主要區(qū)別是：普通線性穩(wěn)壓器（如常見(jiàn)的78系列三端穩(wěn)壓器）工作時(shí)要求輸入與輸出之間的壓差值較大（一般要求在2～3V以上），功耗較高；而LDO工作時(shí)要求輸入與輸出之間的壓差值較小（可以為IV以下甚至更低），功耗較低。

（1）線性穩(wěn)壓器基本工作原理

線性穩(wěn)壓器是通過(guò)輸出電壓反饋，經(jīng)誤差放大器等組成的控制電路來(lái)控制調(diào)整管的管壓降VDD（即壓差）來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的，其原理框圖如圖1所示。特點(diǎn)是VIN必須大于VOUT，調(diào)整管工作在線性區(qū)（線性穩(wěn)壓器從此得名）。輸入電壓的變動(dòng)或負(fù)載電流的變化引起輸出電壓變動(dòng)時(shí)，通過(guò)反饋及控制電路，改變VDO的大小，使輸出電壓VOUT基本不變。

普通線性穩(wěn)壓器和LD0的工作原理是一致的，不同的是，二者采用的調(diào)整管結(jié)構(gòu)不同，從而使LD0比普通線性穩(wěn)壓器壓差更小，功耗更低。

有些液晶顯示器中使用的線性穩(wěn)壓器i設(shè)有輸出控制端，也就是說(shuō)，這種穩(wěn)壓器輸出電壓受控制端的控制。圖2所示是可控穩(wěn)壓器的內(nèi)部框圖。

EN（有時(shí)也用符號(hào)SHDN表示）為輸出控制端，一般由微處理器加低電平（或高電平）使LDO關(guān)閉（或工作），在關(guān)閉電源狀態(tài)時(shí)，電流約為1μA。

（2）線性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)

線性穩(wěn)壓器具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪聲小的特點(diǎn)。線性穩(wěn)壓器的封裝類(lèi)型很多，非常適合在液晶顯示器中使用。對(duì)于固定電壓輸出的場(chǎng)合，外圍只需2～3個(gè)很小的電容即可構(gòu)成整個(gè)電路。

超低的輸出電壓噪聲是線性穩(wěn)壓器最大的優(yōu)勢(shì)。輸出電壓的紋波不到35μV（RMS），又有極高的信噪抑制比，非常適合用做對(duì)噪聲敏感的小信號(hào)處理電路供電。同時(shí)，由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)時(shí)大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾（EMI），所以便于設(shè)計(jì)。

但線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是效率不高，且只能用于降壓的場(chǎng)合。線性穩(wěn)壓器的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比η＝Vo：Vio例如，對(duì)于普通線性穩(wěn)壓器，在輸入電壓為5V的情況下，輸出電壓為2.5V時(shí)，效率只有50％，也就是約有50％的電能被轉(zhuǎn)化成熱量流失掉了，這也是普通線性穩(wěn)壓器工作時(shí)易發(fā)熱的主要原因：對(duì)于LDO，由于是低壓差，因此效率要高得多。例如，在輸入電壓為3.3V的情況下，輸出電壓為2.5V時(shí)，效率可達(dá)76％。所以，在液晶顯示器中，為了提高電能的利用率，較少采用普通線性穩(wěn)壓器，而多采用LDO。

線性穩(wěn)壓電源優(yōu)缺點(diǎn)

每種線性穩(wěn)壓器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終得由設(shè)計(jì)師根據(jù)壓差、接地電流和穩(wěn)定性補(bǔ)償方法等要求，確定某種類(lèi)型穩(wěn)壓器是否適合設(shè)備使用。

電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(pass element)確定，電壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類(lèi)型。目前使用的五大主流線性穩(wěn)壓器每個(gè)都具有不同的旁路元件(pass element)和獨(dú)特性能，分別適合不同的設(shè)備使用。

標(biāo)準(zhǔn)NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流，即使沒(méi)有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓器比較適合電壓差較高的設(shè)備使用，但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。

對(duì)于嵌入式應(yīng)用而言，NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗膲翰钚。曳浅Ｈ菀资褂?。不過(guò)這種穩(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)備使用，因?yàn)樗膲翰畈粔虻?。它的高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個(gè)毫安，而且它的公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。

PNP旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)壓器，其中的旁路元件就是PNP晶體管。它的輸入輸出壓差一般在0.3到0.7V之間。因?yàn)閴翰畹?，因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設(shè)備使用。不過(guò)它的大接地電流會(huì)縮短電池的壽命。另外，PNP晶體管增益較低，會(huì)形成數(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。由于采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因此它的輸出阻抗比較高，這意味著需要外接特定范圍容量和等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容才能夠穩(wěn)定工作。

由于P溝道FET穩(wěn)壓器具有較低的壓差和接地電流，因此目前被廣泛用于許多電池供電的設(shè)備。該類(lèi)型穩(wěn)壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩(wěn)壓器的電壓差可以很低，因?yàn)楹苋菀淄ㄟ^(guò)調(diào)整FET尺寸將漏-源阻抗調(diào)整到較低值。另一個(gè)有用的特性是低的接地電流，因?yàn)镻溝道FET的“柵極電流”很低。然而，由于P溝道FET具有相對(duì)大的柵極電容，因此它需要外接具有特定范圍容量與ESR的電容才能穩(wěn)定工作。

N溝道FET穩(wěn)壓器非常適合那些要求低壓差、低接地電流和高負(fù)載電流的設(shè)備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET，因此這種穩(wěn)壓器的壓差和接地電流都很低。雖然它也需要外接電容才能穩(wěn)定工作，但電容值不用很大，ESR也不重要。N溝道FET穩(wěn)壓器需要充電泵來(lái)建立柵極偏置電壓，因此電路相對(duì)復(fù)雜一些。幸運(yùn)的是，相同負(fù)載電流下N溝道FET尺寸最多時(shí)可比P溝道FET小50%。