線性穩(wěn)壓器的基本知識解析

　　1.線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢分析

　　除了簡單易用之外，線性穩(wěn)壓器還擁有其他的性能優(yōu)勢。電源管理供應商開發(fā)了許多集成型線性穩(wěn)壓器。典型的集成線性穩(wěn)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(wěn)壓器LT1083,它是凌力爾特公司在20多年前開發(fā)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(wěn)壓器來設計電源。

　　圖4集成型線性穩(wěn)壓器實例：只有3個引腳的7.5A線性穩(wěn)壓器

　　2.線性穩(wěn)壓器的缺點分析

　　線性穩(wěn)壓器會消耗大量的功率。采用線性穩(wěn)壓器的一個主要缺點是其運行于線性模式之串聯(lián)晶體管Q1會有過大功率耗散。如前文所述，線性穩(wěn)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(jīng)過串聯(lián)電阻器，故其功率耗散為PLOSS=(VIN-VO)IO.在該場合中，線性穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓器中產(chǎn)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(wěn)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(wěn)壓器的最大效率與VO/VIN之比成比例。

　　圖5:線性穩(wěn)壓器的最大效率與VO/VIN之比的關系。　　另一方面，線性穩(wěn)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(wěn)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(fā)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(jié)輸出電壓。那些能夠在低裕量(VIN-VO)條件下工作的線性穩(wěn)壓器被稱為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。

　　另外，還有一個明顯之處就是線性穩(wěn)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(chǎn)生負VO電壓的應用中，線性穩(wěn)壓器顯然是不起作用。

　　五、線性穩(wěn)壓器的應用

　　線性穩(wěn)壓器的主要應用體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1.簡單/低成本的解決方案。線性穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(xiàn)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(tài)應用。線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路一般都是內置的，因此無需外部補償。相比于SMPS,線性穩(wěn)壓器通常具有較寬的控制環(huán)路帶寬和較快的瞬態(tài)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(yōu)于SMPS的解決方案。　　六、常用線性穩(wěn)壓器的技術分析

　　電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)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(wěn)壓器適用的設備類型。目前使用的五大主流線性穩(wěn)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(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流，即使沒有輸出電容也相當穩(wěn)定。這種穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定在幾個毫安，而且它的公共發(fā)射極結構具有很低的輸出阻抗。