【線(xian)性(xing)穩壓(ya)電源】線(xian)性(xing)穩壓(ya)器(qi)的原理(li) 線(xian)性(xing)穩壓(ya)電源優缺點(dian)

線性穩(wen)壓(ya)器(qi)主要包括普(pu)通(tong)線性穩(wen)壓(ya)器(qi)和(he)LDO（Low Dropout Regulator，低(di)壓(ya)差線性穩(wen)壓(ya)器(qi)）兩種類(lei)型，它(ta)們的主要區別是：普(pu)通(tong)線性穩(wen)壓(ya)器(qi)（如常見的78系列三端穩(wen)壓(ya)器(qi)）工作時要求(qiu)(qiu)輸(shu)入與(yu)輸(shu)出(chu)之間的壓(ya)差值較大（一般要求(qiu)(qiu)在2～3V以上(shang)），功(gong)(gong)耗(hao)(hao)較高；而LDO工作時要求(qiu)(qiu)輸(shu)入與(yu)輸(shu)出(chu)之間的壓(ya)差值較小（可以為IV以下甚至更(geng)低(di)），功(gong)(gong)耗(hao)(hao)較低(di)。

（1）線性穩壓器基本工作原理

線性穩壓器是通過(guo)輸(shu)(shu)(shu)出電壓(ya)(ya)反(fan)饋(kui)，經誤差(cha)放大(da)器等(deng)組(zu)成的控制電路來控制調整管(guan)的管(guan)壓(ya)(ya)降VDD（即壓(ya)(ya)差(cha)）來達到穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)的目的，其原理框圖如圖1所示。特(te)點(dian)是VIN必須大(da)于VOUT，調整管(guan)工(gong)作在線(xian)性區（線(xian)性穩(wen)(wen)壓(ya)(ya)器從此得名）。輸(shu)(shu)(shu)入電壓(ya)(ya)的變(bian)(bian)動或負載電流的變(bian)(bian)化引起(qi)輸(shu)(shu)(shu)出電壓(ya)(ya)變(bian)(bian)動時，通過(guo)反(fan)饋(kui)及控制電路，改變(bian)(bian)VDO的大(da)小(xiao)，使輸(shu)(shu)(shu)出電壓(ya)(ya)VOUT基(ji)本不變(bian)(bian)。

普通線性穩(wen)壓(ya)器和LD0的(de)(de)工作原(yuan)理是一致的(de)(de)，不同的(de)(de)是，二者采用(yong)的(de)(de)調整(zheng)管結構不同，從而使LD0比(bi)普通線性穩(wen)壓(ya)器壓(ya)差(cha)更小，功耗更低。

有些(xie)液晶顯(xian)示器(qi)中使(shi)用的線性(xing)穩壓(ya)器(qi)i設有輸出控制(zhi)端，也就是說，這種穩壓(ya)器(qi)輸出電壓(ya)受控制(zhi)端的控制(zhi)。圖(tu)2所示是可控穩壓(ya)器(qi)的內部(bu)框圖(tu)。

EN（有時也用符號SHDN表示(shi)）為輸出控制端，一般由微(wei)處理(li)器(qi)加低(di)電平（或高電平）使(shi)LDO關閉（或工作），在(zai)關閉電源狀態(tai)時，電流約為1μA。

（2）線性穩壓器的特點

線性穩(wen)壓(ya)器(qi)具有成本低(di)、封裝(zhuang)小(xiao)、外(wai)(wai)圍(wei)器(qi)件少和噪聲小(xiao)的特點。線性穩(wen)壓(ya)器(qi)的封裝(zhuang)類型很(hen)多，非常適合(he)在(zai)液晶顯示器(qi)中使用。對(dui)于固定電(dian)壓(ya)輸出的場合(he)，外(wai)(wai)圍(wei)只(zhi)需2～3個很(hen)小(xiao)的電(dian)容即可構成整個電(dian)路。

超低(di)的(de)輸出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)噪聲是線性穩壓(ya)(ya)器(qi)最大的(de)優勢。輸出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)紋波不(bu)到(dao)35μV（RMS），又(you)有極高的(de)信(xin)噪抑制比(bi)，非(fei)常適(shi)合用做對噪聲敏感的(de)小信(xin)號處(chu)理電(dian)(dian)(dian)路(lu)供電(dian)(dian)(dian)。同時(shi)，由于沒(mei)有開關時(shi)大的(de)電(dian)(dian)(dian)流變化(hua)所(suo)引發(fa)的(de)電(dian)(dian)(dian)磁(ci)干擾（EMI），所(suo)以便于設計。

但線性穩壓器的缺點是效率不高，且只能用于降壓的場合。線性穩壓器的效率取決于輸出電壓與輸入電壓之比η＝Vo：Vio例如，對于普通線性穩壓器，在輸入電壓為5V的情況下，輸出電壓為2.5V時，效率只有50％，也就是約有50％的電能被轉化成熱量流失掉了，這也是普通線性穩壓器工作時易發熱的主要原因：對于LDO，由于是低壓差，因此效率要高得多。例如，在輸入電壓為3.3V的情況下，輸出電壓為2.5V時，效率可達76％。所以，在液晶顯示器中，為了提高電能的利用率，較少采用普通線性穩壓器，而多采用LDO。

線性穩壓電源優缺點

每(mei)種(zhong)線性穩(wen)(wen)壓器(qi)都有各自的(de)優缺點，最終得由(you)設計師(shi)根據壓差、接地電流(liu)和穩(wen)(wen)定(ding)性補償方(fang)法(fa)等(deng)要(yao)求，確(que)定(ding)某種(zhong)類型穩(wen)(wen)壓器(qi)是否(fou)適(shi)合設備(bei)使用。

電壓差(cha)和(he)接地電流(liu)值(zhi)主(zhu)要由(you)線性(xing)穩(wen)壓器的(de)旁(pang)路(lu)元(yuan)件(jian)(pass element)確(que)定，電壓差(cha)和(he)接地電流(liu)值(zhi)定了后就(jiu)可確(que)定穩(wen)壓器適用的(de)設備類(lei)型。目前使(shi)用的(de)五大主(zhu)流(liu)線性(xing)穩(wen)壓器每個(ge)都(dou)具(ju)有不同的(de)旁(pang)路(lu)元(yuan)件(jian)(pass element)和(he)獨特性(xing)能(neng)，分別適合(he)不同的(de)設備使(shi)用。

標準NPN穩(wen)(wen)(wen)壓器(qi)的(de)(de)優點是具(ju)有(you)約等于PNP晶體管基極電(dian)流的(de)(de)穩(wen)(wen)(wen)定接(jie)地(di)電(dian)流，即使沒有(you)輸出電(dian)容也相當穩(wen)(wen)(wen)定。這種穩(wen)(wen)(wen)壓器(qi)比(bi)較(jiao)適合電(dian)壓差(cha)較(jiao)高的(de)(de)設備(bei)使用，但較(jiao)高的(de)(de)壓差(cha)使得(de)這種穩(wen)(wen)(wen)壓器(qi)不(bu)適合許多(duo)嵌(qian)入式設備(bei)使用。

對于嵌(qian)入式應用而言(yan)，NPN旁路(lu)晶體管穩(wen)壓(ya)器(qi)是一種不錯的(de)選擇，因為它的(de)壓(ya)差小，而且非常容易(yi)使(shi)用。不過(guo)這種穩(wen)壓(ya)器(qi)仍不適合具(ju)(ju)有(you)(you)很低壓(ya)差要求(qiu)的(de)電(dian)池供電(dian)設(she)備使(shi)用，因為它的(de)壓(ya)差不夠低。它的(de)高增益NPN旁路(lu)管可使(shi)接地電(dian)流穩(wen)定在幾個毫(hao)安，而且它的(de)公共(gong)發射極結構具(ju)(ju)有(you)(you)很低的(de)輸出阻抗(kang)。

PNP旁(pang)路(lu)(lu)晶體(ti)(ti)管(guan)是一種低(di)壓差(cha)(cha)穩(wen)壓器(qi)，其中的(de)旁(pang)路(lu)(lu)元件就(jiu)是PNP晶體(ti)(ti)管(guan)。它的(de)輸入輸出壓差(cha)(cha)一般在0.3到0.7V之間。因為壓差(cha)(cha)低(di)，因此這種PNP旁(pang)路(lu)(lu)晶體(ti)(ti)管(guan)穩(wen)壓器(qi)非(fei)常(chang)適(shi)合電(dian)(dian)(dian)池供電(dian)(dian)(dian)的(de)嵌入式(shi)設備使用(yong)。不(bu)過它的(de)大接(jie)地電(dian)(dian)(dian)流(liu)會(hui)縮短電(dian)(dian)(dian)池的(de)壽(shou)命。另外，PNP晶體(ti)(ti)管(guan)增益較低(di)，會(hui)形(xing)成數毫安(an)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)接(jie)地電(dian)(dian)(dian)流(liu)。由于采(cai)用(yong)公共(gong)發射極結構，因此它的(de)輸出阻(zu)抗比較高，這意味著需要外接(jie)特定(ding)范圍容量(liang)和等效串聯電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(ESR)的(de)電(dian)(dian)(dian)容才能夠穩(wen)定(ding)工作。

由于P溝道FET穩(wen)壓(ya)器具(ju)(ju)有(you)(you)(you)較低的(de)壓(ya)差(cha)(cha)和接(jie)(jie)地(di)電流(liu)，因此(ci)目(mu)前被(bei)廣泛用(yong)于許(xu)多(duo)電池(chi)供電的(de)設(she)備(bei)。該類型穩(wen)壓(ya)器將P溝道FET用(yong)作(zuo)它的(de)旁路(lu)元件。這種穩(wen)壓(ya)器的(de)電壓(ya)差(cha)(cha)可以很低，因為很容(rong)易通過(guo)調整FET尺(chi)寸將漏(lou)-源阻抗調整到(dao)較低值。另一個有(you)(you)(you)用(yong)的(de)特性是低的(de)接(jie)(jie)地(di)電流(liu)，因為P溝道FET的(de)“柵(zha)極電流(liu)”很低。然而，由于P溝道FET具(ju)(ju)有(you)(you)(you)相對大(da)的(de)柵(zha)極電容(rong)，因此(ci)它需要(yao)外接(jie)(jie)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)特定(ding)范圍容(rong)量(liang)與ESR的(de)電容(rong)才能(neng)穩(wen)定(ding)工作(zuo)。

N溝(gou)道(dao)FET穩壓(ya)(ya)器(qi)非常適合那些要(yao)求低(di)(di)壓(ya)(ya)差、低(di)(di)接(jie)地電(dian)流和高負載電(dian)流的設備使用(yong)。用(yong)于旁(pang)路管采(cai)用(yong)的是(shi)N溝(gou)道(dao)FET，因此這種(zhong)穩壓(ya)(ya)器(qi)的壓(ya)(ya)差和接(jie)地電(dian)流都(dou)很(hen)低(di)(di)。雖然它也(ye)需要(yao)外接(jie)電(dian)容(rong)才(cai)能穩定工作，但電(dian)容(rong)值不用(yong)很(hen)大，ESR也(ye)不重要(yao)。N溝(gou)道(dao)FET穩壓(ya)(ya)器(qi)需要(yao)充(chong)電(dian)泵來建立柵極(ji)偏(pian)置電(dian)壓(ya)(ya)，因此電(dian)路相對復雜一(yi)些。幸(xing)運的是(shi)，相同負載電(dian)流下N溝(gou)道(dao)FET尺寸(cun)最多時可(ke)比P溝(gou)道(dao)FET小50%。