淺談低壓差線性穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與應(yīng)用

1 低壓差線性穩(wěn)壓器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，便攜式電子產(chǎn)品正朝著高效節(jié)能、短小輕薄的方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的集成線性穩(wěn)壓器的輸入/輸出壓差較高，這就大大限制了它在低壓供電領(lǐng)域中的應(yīng)用。LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。更新的發(fā)展使用 MOS 功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用 功率MOS，通過穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的 ON 電阻造成的。如果負(fù)載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。

近年來問世的低壓差線性穩(wěn)壓器，它一經(jīng)問世便顯示出強(qiáng)大的生命力，并以低功耗、高效率、低噪聲、高抗擾、體積小、重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2v~3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉(zhuǎn)3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件的。針對(duì)這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。由PNP型驅(qū)動(dòng)管和NPN型調(diào)整管構(gòu)成的準(zhǔn)低壓差穩(wěn)壓器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator);由導(dǎo)通電阻非常低的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成的超低壓差線性穩(wěn)壓器(VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator)。

低壓差線性穩(wěn)壓器特別適合采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品，如筆記本電腦、手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄像機(jī)、數(shù)字視頻光盤(DVD)、可視電話、全球定位系統(tǒng)(GPS)、機(jī)頂盒(STB)、便攜式儀表、汽車電子設(shè)備等。

圖1　線性穩(wěn)壓器的5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

a)傳統(tǒng)的NPN型穩(wěn)壓器　b)準(zhǔn)低壓差線性穩(wěn)壓器(QLDO)　c)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)　d)PMOS超低壓差線性穩(wěn)壓器　e)NMOS超低壓差線性穩(wěn)壓器

2 線性穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

近幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感器、電容器、以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，體積越來越小。由于出現(xiàn)了導(dǎo)通電阻很小的MOSFET可以輸出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如對(duì)于3V的輸入電壓，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的輸出。其次，對(duì)于中小功率的應(yīng)用，可以使用成本低小型封裝。另外，如果開關(guān)頻率提高到1MHz，還能夠降低成本、可以使用尺寸較小的電感器和電容器。有些新器件還增加許多新功能，如軟啟動(dòng)、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

線性穩(wěn)壓器的5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。a圖為傳統(tǒng)的NPN型線性穩(wěn)壓器，其輸入/輸出壓差超過2.5～3V，I為驅(qū)動(dòng)電流(下同)。b圖為準(zhǔn)低壓差線性穩(wěn)壓器(QLDO)，其壓差可減小到0.9～1.5V。c圖為PNP型低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，其壓差僅為0.3～0.6V。d圖為由P溝道MOS管構(gòu)成的PMOS超低壓差線性穩(wěn)壓器(VLDO)，其壓差可降至100mV左右。e圖為由N溝道MOS管構(gòu)成的NMOS VLDO，其壓差可低至幾十毫伏。

上述5種線性穩(wěn)壓器的壓差計(jì)算公式見附表1。

3 低壓差線性穩(wěn)壓器的主要特點(diǎn)

低壓差線性穩(wěn)壓器的主要特點(diǎn)是可最大限度地降低調(diào)整管壓降，從而大大減小了輸入-輸出壓差，使穩(wěn)壓器能在輸入電壓略高于額定輸出電壓的條件下工作。例如，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器7805或LM317，要求輸入電壓必須比輸出電壓高出2.5～3V才能正常工作。為獲得+5V輸出，就需要+8V的輸入電壓。與之相比，新型低壓差穩(wěn)壓器的輸入電壓只需高于+5.3V，即可獲得+5V輸出。從電源效率上看，LM317工作在+3.3V、1A時(shí)的效率低于50%。

低壓差線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，主要有以下6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①穩(wěn)壓性能好;②低噪聲(可達(dá)幾十個(gè)微伏，無開關(guān)噪聲)、低紋波(電源抑制比可達(dá)60～70dB)，這對(duì)于無線電和通信設(shè)備至關(guān)重要;③低靜態(tài)電流(超βLDO的靜態(tài)電流可低至幾微安至幾十微安)，低功耗，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓接近時(shí)可達(dá)到很高的效率;④具有快速響應(yīng)能力，能對(duì)負(fù)載及輸入電壓的變化做出快速反應(yīng);⑤外圍電路簡單(僅用兩只電容器)，使用方便;⑥成本低廉。

低壓差線性穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的性能比較見表2。

低壓差線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用

低壓差線性穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用有以下5種。

1 交流供電的低壓差線性穩(wěn)壓器

采用交流供電的低壓差線性穩(wěn)壓器電路如圖2所示。交流輸入電壓首先經(jīng)過電源變壓器降壓，再通過整流濾波器送至低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，最后獲得直流穩(wěn)壓輸出。

圖2 采用交流供電的低壓差線性穩(wěn)壓器電路

2 采用電池供電的低壓差線性穩(wěn)壓器

采用電池供電的低壓差線性穩(wěn)壓器電路如圖3所示。低壓差線性穩(wěn)壓器在采用電池供電時(shí)更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3 采用電池供電的低壓差線性穩(wěn)壓器電路

3 開關(guān)電源的后置線性穩(wěn)壓器

開關(guān)電源的后置線性穩(wěn)壓器電路如圖4所示。開關(guān)電源以電源效率高而著稱，但其輸出噪聲和紋波較大。將線性穩(wěn)壓器接在開關(guān)穩(wěn)壓器后面構(gòu)成的復(fù)合式穩(wěn)壓電源，兼有開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)，不僅電源效率很高，而且穩(wěn)壓性能好，輸出噪聲極低，可獲得純凈的直流輸出電壓。