線性穩壓器的基本知識解析

　　1.線性穩壓器的優勢分析

　　除了簡單易用之外，線性穩壓器還擁有其他的性能優勢。電源管理供應商開發了許多集成型線性穩壓器。典型的集成線性穩壓器只需要VIN、VOUT、FB和任選的GND引腳。圖4示出了一款典型的3引腳線性穩壓器LT1083,它是凌力爾特公司在20多年前開發的。該器件僅需一個輸入電容器、輸出電容器和兩個反饋電阻器以設定輸出電壓。幾乎所有的電氣工程師都可以運用這些簡單的線性穩壓器來設計電源。

　　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。

　　五、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LT1761LDO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。　　六、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(passelement)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(passelement)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。