线性稳压器

概念

线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的 LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP.这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。[1]

原理

线性稳压器的基本电路如图所示，该电路由串联调整管VT、取样的ESR的需求构成了外部极。两个主导极点治疗会影响设备的性能，并会构成闭环重大影响的稳定性。

作用

线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。新型线性稳压器可达到以下指标：30μV 输出噪声、60dB PSRR、6μA 静态电流及100mV的压差。线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电流；另一方面，在采用PNP管的结构中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用线性稳压器，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是线性稳压器仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

低压差稳压器

低压差交流稳压器是一种输入电压大于输出电压的直流交流稳压器。它具有输出电压稳定，低输出纹波，低噪声的特点。LDO还具有封装体积小，外接元件少的特点。由于它的这些优点，LDO被广泛应用于通讯设备、汽车电子产品、工业和医疗仪器设备。当前随着大量的便携式电子设备的发展，比如PDA、移动电话、MP3等被广泛应用于人们的生活工作中。这些便携式电子设备体积小巧，且大多使用电池供电，LDO也很适合成为这类电子系统的供电方案.

由于LDO的输入电压和输出电压之间存在一个压差，当输出一定的负载电流时，会在LDO上消耗Power=UI的功率。这会影响LDO的效率，如果这个功率很大，还会导致LDO上的功率传输管发热，需要使用体积庞大的散热片，这样不利于LDO应用在便携式电子设备中。如果能尽量减小这个压差，这样LDO不但能起到稳压的作用，还能有较高的效率，在输出较大负载电流时也不会发热。

当前无线通讯设备在我们的工作生活中发挥着越来越重要的重要，比如手机、无线上网本、蓝牙(Blue tooth)等。这些无线设备的体积小巧，且作为手持式移动设备一般采用电池来供电，这样小体积且外接元件少的LDO是它们合适的供电方案。

但无线通讯设备的射频发送器的开关动作会产生严重影响电源质量的噪声，比如手机的射频功放的开关频率为217Hz。射频功放在每次开关时都会从电源吸取很大的电流(典型情况下高达1.7A)，使得在电池的等效串联电阻(ESR)上将产生高达500毫伏的突发压降。对于嵌入了高分辨率音频转换器和音频放大器的SoC来说，这种变化将危害SoC的总体性能，特别是音频模块的音频处理质量将受到严重影响，听得到嗡嗡的噪声。这种噪声的特点是可听得见，因为它不是随机的噪声。事实上，幅度低至10mV的噪声如果以一个固定速率发生就可以被人耳听见。这种噪声比更大幅度的随机噪声更让人不能接受。

低压差线性稳压器（LDO）使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。

正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。负输出LDO使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。更新的发展使用CMOS功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用CMOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

特点

所谓的抗短路能力要求，是指在相关材料的短路条件下，稳压器不损坏。稳压器的抗短路能力包括承受短路的耐热能力和承受短路的动稳定能力两个方面。

压差和接地电流值定了后就可确定稳压器适用的设备类型。五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件(passelement和独特性能，电压差和接地电流值主要由线性稳压器的旁路元件(passelement确定。分别适合不同的设备使用。

即使没有输出电容也相当稳定，它比较适合电压差较高的设备使用，规范NPN稳压器的优点是具有约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流。但较高的压差使得这种稳压器不适合许多嵌入式设备使用。

NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择，对于嵌入式应用而言，因为它压差小，容易使用。不过这种稳压器仍不适合具有很低压差要求的电池供电设备使用，因为它压差不够低。高增益NPN旁路管可使接地电流稳定在几个毫安，而且它公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

线性稳压器比较

电压差和接地电流值主要由线性稳压器的旁路元件(pass element)确定，电压差和接地电流值定了后就可确定稳压器适用的设备类型。五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件(pass element)和独特性能，分别适合不同的设备使用。

常用线性稳压器的技术分析

标准NPN稳压器的优点是具有约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流，即使没有输出电容也相当稳定。这种稳压器比较适合电压差较高的设备使用，但较高的压差使得这种稳压器不适合许多嵌入式设备使用。

对于嵌入式应用而言，NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择，因为它的压差小，而且非常容易使用。不过这种稳压器仍不适合具有很低压差要求的电池供电设备使用，因为它的压差不够低。它的高增益NPN旁路管可使接地电流稳定在几个毫安，而且它的公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

PNP 旁路晶体管是一种低压差稳压器，其中的旁路元件就是PNP晶体管。它的输入输出压差一般在0.3到0.7V之间。因为压差低，因此这种PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备使用。不过它的大接地电流会缩短电池的寿命。另外，PNP晶体管增益较低，会形成数毫安的不稳定接地电流。由于采用公共发射极结构，因此它的输出阻抗比较高，这意味着需要外接特定范围容量和等效串联电阻(ESR)的电容才能够稳定工作。

由于P沟道FET稳压器具有较低的压差和接地电流，因此被广泛用于许多电池供电的设备。该类型稳压器将P沟道FET用作它的旁路元件。这种稳压器的电压差可以很低，因为很容易通过调整FET尺寸将漏-源阻抗调整到较低值。另一个有用的特性是低的接地电流，因为P沟道FET的“栅极电流”很低。然而，由于 P沟道FET具有相对大的栅极电容，因此它需要外接具有特定范围容量与ESR的电容才能稳定工作。

N沟道FET稳压器非常适合那些要求低压差、低接地电流和高负载电流的设备使用。用于旁路管采用的是N沟道FET，因此这种稳压器的压差和接地电流都很低。虽然它也需要外接电容才能稳定工作，但电容值不用很大，ESR也不重要。N沟道FET稳压器需要充电泵来建立栅极偏置电压，因此电路相对复杂一些。幸运的是，相同负载电流下N沟道FET尺寸最多时可比P沟道FET小50%。

参考资料

[1]线性稳压器与开关稳压器的对比分析.互联网. [2015-11-18].

条目合集

稳压器的种类

线性稳压器

低成本低噪音低静态电流的配件

开关电源

一种高频化电能转换装置

电荷泵

开关电容式电压变换器

该页面最新编辑时间为 2023年9月22日