解析線性穩壓器基本知識

圖4 集成型線性穩壓器實例：只有3個引腳的7.5A線性穩壓器

2. 線性穩壓器的缺點分析

線性穩壓器會消耗大量的功率。采用線性穩壓器的一個主要缺點是其運行于線性模式之串聯晶體管Q1會有過大功率耗散。如前文所述，線性穩壓器從概念上講是一個可變電阻器。由于所有的負載電流都必須經過串聯電阻器，故其功率耗散為PLOSS=(VIN-VO)IO.在該場合中，線性穩壓器的效率可由下式快速估算：

于是在圖1所示的例子中，當輸入為12V且輸出為3.3V時，線性穩壓器的效率僅為27.5%.在此場合中，82.5%的輸入功率完全浪費掉了，并在穩壓器中產生了熱量。這意味著晶體管必須具備在最壞情況下(最大VIN和滿負載)處理其功率/熱耗散的熱能力。因此，線性穩壓器及其散熱器的尺寸可能很大，特別是在VO遠遠低于VIN的時候。如圖5所示，線性穩壓器的最大效率與VO/VIN之比成比例。

圖5:線性穩壓器的最大效率與VO/VIN之比的關系。

另一方面，線性穩壓器可以在VO接近VIN的情況下具有非常高的效率，然而，線性穩壓器(LR)存在另一個局限性，即VIN和VO之間的最小電壓差。LR中的晶體管必須在其線性模式中運作。于是，其在雙極型晶體管的集電極至發射極兩端或FET的漏極至源極兩端需要一個確定的最小電壓降。當VO過于接近VIN時，LR也許不再能夠調節輸出電壓。那些能夠在低裕量(VIN-VO)條件下工作的線性穩壓器被稱為低壓差穩壓器(LDO)。

另外，還有一個明顯之處就是線性穩壓器或LDO只能提供降壓DC/DC轉換。在那些要求VO電壓高于VIN電壓，或者需要從一個正VIN電壓產生負VO電壓的應用中，線性穩壓器顯然是不起作用。

線性穩壓器的應用

線性穩壓器的主要應用體現在以下幾個方面：

1. 簡單/低成本的解決方案。線性穩壓器和LDO簡單易用，特別適合于那些具有低輸出電流、熱應力不很關鍵的低功率應用。無需外部功率電感器。

2. 低噪聲/低紋波應用。對于那些對噪聲敏感的應用(例如：通信和無線電設備)而言，最大限度地抑制電源噪聲是非常關鍵的。線性穩壓器具有非常低的輸出電壓紋波(因為沒有頻繁接通和關斷的組件)，而且線性穩壓器還可以擁有非常高的帶寬。所以，幾乎不存在EMI問題。有些特殊的LDO(比如：凌力爾特的LT1761 LDO系列)在輸出端的噪聲電壓低至20μVRMS.這么低的噪聲水平SMPS幾乎是不可能實現的。即使采用ESR非常低的電容器，SMPS的輸出紋波往往也將達到mV級。

3. 快速瞬態應用。線性穩壓器反饋環路一般都是內置的，因此無需外部補償。相比于SMPS,線性穩壓器通常具有較寬的控制環路帶寬和較快的瞬態響應。

4. 低壓差應用。對于那些輸出電壓接近輸入電壓的應用來說，LDO可能比SMPS更有效。有非常低壓差LDO(VLDO)，例如：凌力爾特的LTC1844、LT3020和LTC3025,這些器件可提供20mV至90mV的壓差電壓和高達150mA的電流。最小輸入電壓可低至0.9V.由于LR中沒有AC開關損耗，因此LR或LDO的輕負載效率與其滿負載效率很相近。SMPS常常因其AC開關損耗的緣故而具有較低的輕負載效率。在輕負載效率同樣十分關鍵的電池供電型應用中，LDO可提供一種優于SMPS的解決方案。

常用線性穩壓器的技術分析

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

標準NPN穩壓器的優點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩定接地電流，即使沒有輸出電容也相當穩定。這種穩壓器比較適合電壓差較高的設備使用，但較高的壓差使得這種穩壓器不適合許多嵌入式設備使用。

對于嵌入式應用而言，NPN旁路晶體管穩壓器是一種不錯的選擇，因為它的壓差小，而且非常容易使用。不過這種穩壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設備使用，因為它的壓差不夠低。它的高增益NPN旁路管可使接地電流穩定在幾個毫安，而且它的公共發射極結構具有很低的輸出阻抗。

PNP 旁路晶體管是一種低壓差穩壓器，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。因為壓差低，因此這種PNP旁路晶體管穩壓器非常適合電池供電的嵌入式設備使用。不過它的大接地電流會縮短電池的壽命。另外，PNP晶體管增益較低，會形成數毫安的不穩定接地電流。由于采用公共發射極結構，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電阻(ESR)的電容才能夠穩定工作。

由于P溝道FET穩壓器具有較低的壓差和接地電流，因此被廣泛用于許多電池供電的設備。該類型穩壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩壓器的電壓差可以很低，因為很容易通過調整FET尺寸將漏-源阻抗調整到較低值。另一個有用的特性是低的接地電流，因為P溝道FET的“柵極電流”很低。然而，由于 P溝道FET具有相對大的柵極電容，因此它需要外接具有特定范圍容量與ESR的電容才能穩定工作。

N溝道FET穩壓器非常適合那些要求低壓差、低接地電流和高負載電流的設備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET,因此這種穩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定工作，但電容值不用很大，ESR也不重要。N溝道FET穩壓器需要充電泵來建立柵極偏置電壓，因此電路相對復雜一些。幸運的是，相同負載電流下N溝道FET尺寸最多時可比P溝道FET小50%。