低壓差線性穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

線性穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)及主要特點

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。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器的電源效率高，但開關(guān)噪聲大、輸出紋波電壓高，且容易產(chǎn)生電磁干擾（EMI），也難以滿足高端射頻收發(fā)裝置（如手機）及視頻裝置（如DVD）的需要。

　　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，深受人們的青睞。低壓差線性穩(wěn)壓器有3種類型：由低飽和壓降的PNP型晶體管作內(nèi)部調(diào)整管的PNP型低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO，Low Dropout Linear Regulator）；由PNP型驅(qū)動管和NPN型調(diào)整管構(gòu)成的準低壓差穩(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、MP3播放器、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄像機、數(shù)字視頻光盤（DVD）、可視電話、全球定位系統(tǒng)（GPS）、機頂盒（STB）、便攜式儀表、汽車電子設(shè)備等。

圖1  線性穩(wěn)壓器的5種拓撲結(jié)構(gòu)
a）傳統(tǒng)的NPN型穩(wěn)壓器  b）準低壓差線性穩(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)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)

　　線性穩(wěn)壓器的5種拓撲結(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)動電流（下同）。b圖為準低壓差線性穩(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)壓器的壓差計算公式見附表1。


3 低壓差線性穩(wěn)壓器的主要特點

　　低壓差線性穩(wěn)壓器的主要特點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時的效率低于50%，若采用Micrel公司的MIC5156型3.3V大電流低壓差線性穩(wěn)壓器，則當輸入電壓略高于3.3V時其效率高達95%。

　　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個優(yōu)點：①穩(wěn)壓性能好；②低噪聲（可達幾十個微伏，無開關(guān)噪聲）、低紋波（電源抑制比可達60～70dB），這對于無線電和通信設(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，當輸入電壓與輸出電壓接近時可達到很高的效率；④具有快速響應(yīng)能力，能對負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更具有明顯的優(yōu)勢。　

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，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。

圖4  開關(guān)電源的后置線性穩(wěn)壓器電路

4 多路輸出式低壓差線性穩(wěn)壓器

　　多路輸出式低壓差線性穩(wěn)壓器電路如圖5所示，利用4個使能端（Enable 1～Enable 4）可分別控制各路穩(wěn)壓輸出的通、斷。通信系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的模塊通常是由各自的穩(wěn)壓器供電的，即使它們采用相同的電源電壓。

圖5  多路輸出式低壓差線性穩(wěn)壓器電路

5  低壓差線性穩(wěn)壓器在微處理器電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　LP2951是SIipex公司推出的低壓差線性穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品，其最高輸入電壓為30V，最大輸出電流為100mA。固定輸出式的輸出電壓有 3種規(guī)格：＋5.0V、＋3.0V和＋3.3V。它具有靜態(tài)電流?。▋H為75μA）、輸出電壓精度高（±0.5%）、電壓調(diào)整率及負載調(diào)整率高（可達±0.05%），低壓差（滿載輸出時的壓降為380mV）、低溫度系數(shù)（20×10-6/℃）等優(yōu)點。利用其故障標志輸出端，可對輸出電壓進行監(jiān)測，當LDO的輸出電壓降低或輸入電壓跌落時，可通過邏輯電路將LDO關(guān)斷，起到電源復(fù)位的作用，特別適合采用電池供電的系統(tǒng)，如手機、便攜式儀表、攜式消費類電子產(chǎn)品及筆記本電腦。

圖6  由兩片LP2951CN構(gòu)成的微處理器電源檢測及輔助輸出電路

　　由兩片LP2951CN（IC1、IC2）構(gòu)成的微處理器電源檢測及輔助輸出電路如圖6所示。LP2951CN的輸出電壓為   ＋5V。IC1為主電源，UO1為主輸出，給μP供電。IC2為輔助電源，UO2為輔助輸出，可作為存儲器的備用電源并給鎳鎘蓄電池（NiCad）充電。LP2951CN的SNS（SNSES）為檢測端，UOT接內(nèi)部取樣電阻分壓器的抽頭，F(xiàn)B為反饋端。作固定輸出時，應(yīng)將FB端與UOT端短接。Error為故障標志信號輸出端，當輸出電壓低于4.70V或輸入電壓低于     4.70V＋ΔU（ΔU代表壓差）時，該端輸出低電平信號。SD（Shutdown）為掉電控制端，接高電平時關(guān)斷LP2951CN的輸出。圖中，VD1～VD4均為隔離二極管。該電路的特點是將IC2的SD端懸空，使IC2總處于正常接通狀態(tài)；IC1則處于受控狀態(tài)。從IC2的Error端輸出的故障信號（低電平）有三種用途，一是作為早期報警信號，二是給微處理器提供復(fù)位信號，三是經(jīng)過VT反相后從集電極輸出（高電平），將IC1關(guān)斷。R1為鎳鎘蓄電池的限流電阻，R2為Error端的上拉電阻。

低壓差線性穩(wěn)壓器使用注意事項

· 使用低壓差線性穩(wěn)壓器時不得超過芯片的最高輸入電壓（UIM）、最大功耗（PDM）、最高結(jié)溫（TjM）等極限參數(shù)值。最大功耗PDM＝（UIM－UO）IOM。一般講，芯片的封裝尺寸越小，功耗越低。

· 輸入電壓必須大于預(yù)期的輸出電壓與輸入-輸出壓差之和，即UI＞UO＋ΔU，否則低壓差線性穩(wěn)壓器無法正常工作。

· 為延長電池使用壽命，應(yīng)選擇相對于負載電流而言，靜態(tài)電流IQ較小的LDO。例如，為使IQ只增加0.02％的電池消耗，在100mA負載電流的情況下，采用IQ＝200μA的VLDO比較合理。需要注意在數(shù)據(jù)表中是如何對IQ規(guī)定的。某些器件是在室溫條件下規(guī)定的，或只提供IQ與溫度關(guān)系的典型曲線。必要時可實測IQ值。

· 輸出電壓的精度亦稱允許偏差。線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度一般不超過額定值的±5%。對大多數(shù)應(yīng)用而言，該精度已經(jīng)足夠了。有的新型穩(wěn)壓器通過對芯片進行激光修正，可使輸出電壓的精度達到±2%，甚至更高的指標。

· 由于輸出電容是用來補償LDO的，因此在選擇輸出電容器時應(yīng)格外仔細。一般情況下，采用等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的大電容器，可提高電源抑制比，降低噪聲電壓并改善瞬態(tài)響應(yīng)。但ESR過高或過低，也可能造成振蕩。例如，1μF以上的大容量陶瓷電容器，ESR通常會很低（＜20mΩ），這幾乎會使所有的LDO產(chǎn)生振蕩。為避免發(fā)生振蕩，可在陶瓷電容器上串聯(lián)一只小電阻以增加ESR。若ESR過大，則LDO可能工作不穩(wěn)定。ESR與溫度有關(guān)，當溫度低于10℃時ESR增加較快。鋁電解電容器在低溫時的ESR會顯著增大，例如當溫度從20℃降至－40℃時，鋁電解電容器的ESR典型值可增加60～70倍，因此它不適合用作PNP型LDO的輸出電容。推薦采用陶瓷電容器或鉭電容器。陶瓷電容器的優(yōu)點是價格低廉，ESR很低（約為10mΩ數(shù)量級），基本上不隨溫度而變化，故障模式一般為斷路。鉭電容器的漏電流小，高頻特性及低溫特性好，ESR約為100mΩ數(shù)量級，故障模式一般為短路，其價格較高，適用于VLDO。

· 手機、MP3、游戲機及多媒體PDA等便攜式設(shè)備，適配300～500mA的LDO。為獲得良好的音頻質(zhì)量，這種LDO在20Hz～20kHz的音頻范圍內(nèi)應(yīng)具有噪聲電壓低、電源抑制比（PSRR）很高的特性。

· 為滿足精密電子設(shè)備的供電要求，應(yīng)盡量減小LDO的輸出噪聲。LDO的輸出噪聲主要來源于基準電壓電路，它所產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過放大后送至輸出端。影響LDO輸出噪聲的其他因素還有LDO內(nèi)部放大器的極點、零點和輸出極點，外部輸出電容的容量、輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）及負載值。為降低基準噪聲，可在基準電壓的輸出端增加一級低通濾波器。某些低噪聲LDO芯片專門設(shè)置一個基準電壓引腳BP（Bypass），用于接旁路電容。旁路電容可選470pF～0.01μF的陶瓷電容。容量過大，在上電時對LDO輸出電壓上升的速率會產(chǎn)生影響。旁路電容量越大，輸出電壓的上升速率越慢。

· 在查閱LDO的產(chǎn)品資料時，應(yīng)注意所給出精度指標是在室溫下，還是在整個工作溫度范圍內(nèi)，是滿載條件下還是在中等負載或空載條件下。

· LDO有多種壓差數(shù)據(jù)，應(yīng)區(qū)分輕載、中等負載、滿載條件下的壓差最小值、典型值和最大值。滿載條件下壓差的最大值最具有實際意義，設(shè)計時應(yīng)以此為依據(jù)，確保低壓差線性穩(wěn)壓器在最壞的情況下仍能正常工作。

· 使用LDO時，需要裝合適的散熱器，以便將芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，避免因散熱不良二導(dǎo)致管芯溫度超過最高結(jié)溫，使LDO無法正常工作，甚至損壞芯片。采用TO-220等封裝的LDO可選擇叉指式或筋片式成品散熱器；采用表面貼片式封裝的小型化LDO，可利用單面印刷電路板上的銅箔制成散熱器。

· 由LDO構(gòu)成PC主板電源時必須具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，以利于推動高速變化的負載，確保輸出電壓保持穩(wěn)定。

· 利用低壓差線性穩(wěn)壓器專用設(shè)計軟件（例如美國Micrel半導(dǎo)體公司開發(fā)的免費設(shè)計軟件LDO-It），可實現(xiàn)LDO的優(yōu)化設(shè)計。