淺談低壓差線性穩(wěn)壓器的拓撲結(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)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 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)備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小，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，LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對于傳統(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。針對這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。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)

近幾年來，隨著半導體技術(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、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

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%。

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。[!--empirenews.page--]

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)電流小(僅為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。

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。

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。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。

● 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。

● 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。

● 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。

● 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。