【線性(xing)穩壓電源】線性(xing)穩壓器的原理 線性(xing)穩壓電源優缺點

線性(xing)(xing)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)主要(yao)(yao)包括普通線性(xing)(xing)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)和LDO（Low Dropout Regulator，低壓(ya)(ya)(ya)差線性(xing)(xing)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)）兩種類型，它們的(de)主要(yao)(yao)區別是：普通線性(xing)(xing)穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)（如(ru)常見的(de)78系(xi)列三端穩壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)）工作(zuo)時(shi)(shi)要(yao)(yao)求(qiu)輸入(ru)與(yu)輸出之間(jian)的(de)壓(ya)(ya)(ya)差值(zhi)較大（一般要(yao)(yao)求(qiu)在2～3V以上），功(gong)耗較高(gao)；而LDO工作(zuo)時(shi)(shi)要(yao)(yao)求(qiu)輸入(ru)與(yu)輸出之間(jian)的(de)壓(ya)(ya)(ya)差值(zhi)較小（可以為IV以下(xia)甚至(zhi)更低），功(gong)耗較低。

（1）線性穩壓器基本工作原理

線性穩壓器是通過輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)反饋，經(jing)誤(wu)差放(fang)大器等組成的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路來控(kong)制(zhi)(zhi)調(diao)整(zheng)管的(de)(de)(de)管壓(ya)(ya)降VDD（即壓(ya)(ya)差）來達到(dao)穩壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，其原理框圖(tu)如圖(tu)1所(suo)示。特點是VIN必(bi)須大于VOUT，調(diao)整(zheng)管工作在線(xian)性區（線(xian)性穩壓(ya)(ya)器從此得(de)名）。輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)變動(dong)或負載電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)變化引起輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)變動(dong)時，通過反饋及控(kong)制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路，改變VDO的(de)(de)(de)大小，使輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)VOUT基(ji)本不(bu)變。

普(pu)通線性穩壓器和(he)LD0的(de)(de)工(gong)作原(yuan)理是(shi)一(yi)致的(de)(de)，不(bu)同(tong)的(de)(de)是(shi)，二(er)者采用的(de)(de)調整管結構不(bu)同(tong)，從而(er)使LD0比普(pu)通線性穩壓器壓差更小，功耗更低(di)。

有些(xie)液晶顯示器(qi)(qi)中使(shi)用的線性穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)i設有輸(shu)出控制端，也(ye)就是說，這(zhe)種(zhong)穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)輸(shu)出電壓(ya)(ya)受控制端的控制。圖2所(suo)示是可控穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的內部框(kuang)圖。

EN（有時(shi)也用符(fu)號SHDN表示）為輸出控制端，一般由微處理器加(jia)低電(dian)平（或高電(dian)平）使LDO關閉（或工(gong)作(zuo)），在(zai)關閉電(dian)源狀態(tai)時(shi)，電(dian)流約為1μA。

（2）線性穩壓器的特點

線性穩壓(ya)器(qi)(qi)具有(you)成本低、封裝(zhuang)小、外圍(wei)器(qi)(qi)件少和噪聲小的(de)特點(dian)。線性穩壓(ya)器(qi)(qi)的(de)封裝(zhuang)類型很(hen)多，非常適合在液(ye)晶顯(xian)示器(qi)(qi)中使用(yong)。對于固定(ding)電(dian)壓(ya)輸出(chu)的(de)場合，外圍(wei)只需2～3個(ge)很(hen)小的(de)電(dian)容即可(ke)構成整個(ge)電(dian)路。

超低的(de)(de)輸(shu)出電壓(ya)噪(zao)聲(sheng)(sheng)是線(xian)性穩壓(ya)器最大的(de)(de)優勢。輸(shu)出電壓(ya)的(de)(de)紋波不到(dao)35μV（RMS），又(you)有(you)(you)極高的(de)(de)信噪(zao)抑制比(bi)，非常適(shi)合用(yong)做對噪(zao)聲(sheng)(sheng)敏感的(de)(de)小(xiao)信號處理電路供電。同時，由于(yu)沒有(you)(you)開關時大的(de)(de)電流(liu)變化所引發的(de)(de)電磁干擾(rao)（EMI），所以(yi)便于(yu)設計(ji)。

但線性穩壓器的缺點是效率不高，且只能用于降壓的場合。線性穩壓器的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比η＝Vo：Vio例如，對于普通線性穩壓器，在輸入電壓為5V的情況下，輸出電壓為2.5V時，效率只有50％，也就是約有50％的電能被轉化成熱量流失掉了，這也是普通線性穩壓器工作時易發熱的主要原因：對于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，效率可達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壓器，而多采用LDO。

線性穩壓電源優缺點

每種(zhong)(zhong)線性穩壓器都有各自的優缺(que)點，最終得由設(she)計師根據壓差、接地電流(liu)和穩定性補(bu)償方法等要求，確定某種(zhong)(zhong)類型穩壓器是否(fou)適合設(she)備使用(yong)。

電壓(ya)差和接(jie)地(di)電流(liu)值主(zhu)要(yao)由線性(xing)穩壓(ya)器的旁路(lu)元(yuan)件(jian)(pass element)確(que)定，電壓(ya)差和接(jie)地(di)電流(liu)值定了后就可確(que)定穩壓(ya)器適用(yong)(yong)的設備(bei)(bei)類型。目(mu)前(qian)使用(yong)(yong)的五大主(zhu)流(liu)線性(xing)穩壓(ya)器每個都具有不(bu)(bu)同的旁路(lu)元(yuan)件(jian)(pass element)和獨(du)特性(xing)能，分別適合不(bu)(bu)同的設備(bei)(bei)使用(yong)(yong)。

標準NPN穩壓(ya)器(qi)的(de)(de)優點是具有(you)約等于PNP晶體管(guan)基(ji)極電流的(de)(de)穩定接地電流，即使(shi)沒有(you)輸出電容也相當穩定。這(zhe)種穩壓(ya)器(qi)比(bi)較(jiao)(jiao)適合電壓(ya)差較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)設備使(shi)用，但較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)壓(ya)差使(shi)得這(zhe)種穩壓(ya)器(qi)不適合許多嵌入式(shi)設備使(shi)用。

對于嵌入式應用而言(yan)，NPN旁路(lu)晶體管穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器是一種不(bu)錯(cuo)的(de)選擇(ze)，因為它(ta)的(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)差(cha)小(xiao)，而且非常容易使(shi)用。不(bu)過這種穩壓(ya)(ya)(ya)(ya)器仍不(bu)適合具(ju)有很低壓(ya)(ya)(ya)(ya)差(cha)要(yao)求的(de)電池供電設備(bei)使(shi)用，因為它(ta)的(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)差(cha)不(bu)夠低。它(ta)的(de)高(gao)增(zeng)益NPN旁路(lu)管可(ke)使(shi)接地電流穩定(ding)在幾個(ge)毫(hao)安，而且它(ta)的(de)公共發射極結構具(ju)有很低的(de)輸出阻抗。

PNP旁路晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)是(shi)一(yi)種低壓(ya)差(cha)穩(wen)壓(ya)器，其中的(de)(de)(de)(de)旁路元件就(jiu)是(shi)PNP晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)。它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)入輸(shu)(shu)出壓(ya)差(cha)一(yi)般(ban)在0.3到0.7V之間(jian)。因為壓(ya)差(cha)低，因此(ci)這(zhe)種PNP旁路晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)穩(wen)壓(ya)器非常適(shi)合(he)電(dian)(dian)池供電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)嵌入式設備使用。不過(guo)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)大接(jie)(jie)地(di)電(dian)(dian)流(liu)會縮短(duan)電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)壽命。另外(wai)，PNP晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)增(zeng)益較低，會形(xing)成數毫安的(de)(de)(de)(de)不穩(wen)定(ding)(ding)(ding)接(jie)(jie)地(di)電(dian)(dian)流(liu)。由于采用公共(gong)發射極結構(gou)，因此(ci)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)出阻抗比較高，這(zhe)意味(wei)著需(xu)要外(wai)接(jie)(jie)特定(ding)(ding)(ding)范圍(wei)容(rong)量和等效串聯電(dian)(dian)阻(ESR)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)才(cai)能夠穩(wen)定(ding)(ding)(ding)工作。

由(you)于(yu)(yu)P溝道(dao)FET穩(wen)(wen)壓器具(ju)有(you)(you)較低(di)(di)(di)的壓差和接(jie)地(di)電(dian)流(liu)，因此目前(qian)被廣(guang)泛(fan)用于(yu)(yu)許多電(dian)池供電(dian)的設備。該(gai)類型穩(wen)(wen)壓器將P溝道(dao)FET用作(zuo)它(ta)的旁路元(yuan)件(jian)。這種穩(wen)(wen)壓器的電(dian)壓差可以很(hen)低(di)(di)(di)，因為(wei)(wei)很(hen)容(rong)易通過調整FET尺寸將漏-源阻抗調整到較低(di)(di)(di)值(zhi)。另一(yi)個有(you)(you)用的特性(xing)是低(di)(di)(di)的接(jie)地(di)電(dian)流(liu)，因為(wei)(wei)P溝道(dao)FET的“柵(zha)(zha)極(ji)電(dian)流(liu)”很(hen)低(di)(di)(di)。然而，由(you)于(yu)(yu)P溝道(dao)FET具(ju)有(you)(you)相對大(da)的柵(zha)(zha)極(ji)電(dian)容(rong)，因此它(ta)需要外接(jie)具(ju)有(you)(you)特定范圍(wei)容(rong)量與ESR的電(dian)容(rong)才能穩(wen)(wen)定工作(zuo)。

N溝(gou)道FET穩壓器非常(chang)適合那些要(yao)求(qiu)低(di)壓差、低(di)接(jie)地電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)和(he)高負載電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的設備使用(yong)(yong)。用(yong)(yong)于旁路管采用(yong)(yong)的是(shi)N溝(gou)道FET，因(yin)此(ci)這種穩壓器的壓差和(he)接(jie)地電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)都(dou)很(hen)低(di)。雖然它(ta)也(ye)(ye)需要(yao)外接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)容才能穩定工作，但(dan)電(dian)(dian)(dian)(dian)容值(zhi)不(bu)用(yong)(yong)很(hen)大，ESR也(ye)(ye)不(bu)重要(yao)。N溝(gou)道FET穩壓器需要(yao)充電(dian)(dian)(dian)(dian)泵來(lai)建立柵極偏置(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，因(yin)此(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)路相(xiang)對復(fu)雜一些。幸運的是(shi)，相(xiang)同負載電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)下(xia)N溝(gou)道FET尺寸最(zui)多時可比P溝(gou)道FET小(xiao)50%。