【導讀】線性穩(wěn)壓器是常用的電子元器件，在開關電源中，線性穩(wěn)壓器必不可少。即使在今天，線性穩(wěn)壓器依然被廣泛應用于很多的設備中。下面本文就來普及下關于線性穩(wěn)壓器的相關知識。
線性穩(wěn)壓器的基本概念
線性穩(wěn)壓器(Linear Regulator)使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應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。其產(chǎn)品均采用小型封裝，具有出色的性能，并且提供熱過載保護、安全限流等增值特性，關斷模式還能大幅降低功耗。
線性穩(wěn)壓器的工作原理
我們從一個簡單的例子開始。在嵌入式系統(tǒng)中，可從前端電源提供一個12V總線電壓軌。在系統(tǒng)板上，需要一個3.3V電壓為一個運算放大器(運放)供電。產(chǎn)生3.3V電壓最簡單的方法是使用一個從12V總線引出的電阻分壓器，如圖1所示。這種做法效果好嗎?回答常常是“否”。在不同的工作條件下，運放的VCC引腳電流可能會發(fā)生變化。假如采用一個固定的電阻分壓器，則IC VCC電壓將隨負載而改變。此外，12V總線輸入還有可能未得到良好的調(diào)節(jié)。在同一個系統(tǒng)中，也許有很多其他的負載共享12V電壓軌。由于總線阻抗的原因，12V總線電壓會隨著總線負載情況的變化而改變。因此，電阻分壓器不能為運放提供一個用于確保其正確操作的3.3V穩(wěn)定電壓。于是，需要一個專用的電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖2所示，反饋環(huán)路必需調(diào)整頂端電阻器R1的阻值以動態(tài)地調(diào)節(jié)VCC上的3.3V。
圖1：電阻分壓器采用12V總線輸入產(chǎn)生3.3VDC。
圖2：反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻器R1的阻值以調(diào)節(jié)3.3V。
此類可變電阻器可利用一個線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器使一個雙極性或場效應功率晶體管(FET)在其線性模式中運作。這樣，晶體管起的作用就是一個與輸出負載相串聯(lián)的可變電阻器。從概念上說，如需構(gòu)建反饋環(huán)路，可由一個誤差放大器利用一個采樣電阻器網(wǎng)絡(RA和RB)來檢測DC輸出電壓，然后將反饋電壓VFB與一個基準電壓VREF進行比較。誤差放大器輸出電壓通過一個電流放大器驅(qū)動串聯(lián)功率晶體管的基極。當輸入VBUS電壓下降或負載電流增大時，VCC輸出電壓下降。反饋電壓VFB也將下降。因此，反饋誤差放大器和電流放大器產(chǎn)生更多的電流并輸入晶體管Q1的基極。這將減小電壓降VCE,因而使VCC輸出電壓恢復，這樣一來VFB=VREF。另一方面，如果VCC輸出電壓上升，則負反饋電路采取相似的方式增加VCE以確保3.3V輸出的準確調(diào)節(jié)。總之，VO的任何變化都被線性穩(wěn)壓器晶體管的VCE電壓所消減。所以，輸出電壓VCC始終恒定并處于良好調(diào)節(jié)狀態(tài)。
圖3：線性穩(wěn)壓器可實現(xiàn)一個可變電阻器以調(diào)節(jié)輸出電壓。
線性穩(wěn)壓器的特點所謂的抗短路能力要求，是指在相關材料的短路條件下，穩(wěn)壓器不損壞。穩(wěn)壓器的抗短路能力包括承受短路的耐熱能力和承受短路的動穩(wěn)定能力兩個方面。
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。五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(pass element)和獨特性能，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。分別適合不同的設備使用。
即使沒有輸出電容也相當穩(wěn)定，它比較適合電壓差較高的設備使用，規(guī)范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。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。
NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇，對于嵌入式應用而言，因為它壓差小，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，因為它壓差不夠低。高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個毫安，而且它公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。
其中的旁路元件就是PNP晶體管。輸入輸出壓差一般在0.3~0.7V之間。因為壓差低，PNP旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)壓器。因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設備使用。不過它大接地電流會縮短電池的壽另外，PNP晶體管增益較低，會形成數(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。因為采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因此它輸出阻抗比較高，這意味著需要外接特定范圍容量和等效串聯(lián)電阻(ESR電容才干夠穩(wěn)定工作。
線性穩(wěn)壓器的優(yōu)劣勢分析
線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應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。其產(chǎn)品均采用小型封裝，具有出色的性能，并且提供熱過載保護、安全限流等增值特性，關斷模式還能大幅降低功耗。
長期以來，線性穩(wěn)壓器一直得到業(yè)界的廣泛采用。在開關模式電源于上世紀60年代后成為主流之前，線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是電源行業(yè)的基礎。即使在今天，線性穩(wěn)壓器仍然在眾多的應用中廣為使用。
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(diào)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(zhuǎn)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。
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LT1761 LDO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(nèi)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。
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(pass element)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(pass element)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(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。
PNP旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)壓器，其中的旁路元件就是PNP晶體管。它的輸入輸出壓差一般在0.3到0.7V之間。因為壓差低，因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設備使用。不過它的大接地電流會縮短電池的壽命。另外，PNP晶體管增益較低，會形成數(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。由于采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因此它的輸出阻抗比較高，這意味著需要外接特定范圍容量和等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容才能夠穩(wěn)定工作。
由于P溝道FET穩(wěn)壓器具有較低的壓差和接地電流，因此被廣泛用于許多電池供電的設備。該類型穩(wěn)壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩(wěn)壓器的電壓差可以很低，因為很容易通過調(diào)整FET尺寸將漏-源阻抗調(diào)整到較低值。另一個有用的特性是低的接地電流，因為P溝道FET的“柵極電流”很低。然而，由于P溝道FET具有相對大的柵極電容，因此它需要外接具有特定范圍容量與ESR的電容才能穩(wěn)定工作。
N溝道FET穩(wěn)壓器非常適合那些要求低壓差、低接地電流和高負載電流的設備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET,因此這種穩(wěn)壓器的壓差和接地電流都很低。雖然它也需要外接電容才能穩(wěn)定工作，但電容值不用很大，ESR也不重要。N溝道FET穩(wěn)壓器需要充電泵來建立柵極偏置電壓，因此電路相對復雜一些。幸運的是，相同負載電流下N溝道FET尺寸最多時可比P溝道FET小50%。
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