【導讀】線性穩壓器是常用的電子元器件，在開關電源中，線性穩壓器必不可少。即使在今天，線性穩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壓器的相關知識。
線性穩壓器的基本概念
線性穩壓器(Linear Regulator)使用在其線性區域內運行的晶體管或FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。其產品均采用小型封裝，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。在嵌入式系統中，可從前端電源提供一個12V總線電壓軌。在系統板上，需要一個3.3V電壓為一個運算放大器(運放)供電。產生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節。在同一個系統中，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穩定電壓。于是，需要一個專用的電壓調節環路。如圖2所示，反饋環路必需調整頂端電阻器R1的阻值以動態地調節VCC上的3.3V。
圖1：電阻分壓器采用12V總線輸入產生3.3VDC。
圖2：反饋環路調整串聯電阻器R1的阻值以調節3.3V。
此類可變電阻器可利用一個線性穩壓器來實現，如圖3所示。線性穩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的可變電阻器。從概念上說，如需構建反饋環路，可由一個誤差放大器利用一個采樣電阻器網絡(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動串聯功率晶體管的基極。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輸出的準確調節。總之，VO的任何變化都被線性穩壓器晶體管的VCE電壓所消減。所以，輸出電壓VCC始終恒定并處于良好調節狀態。
圖3：線性穩壓器可實現一個可變電阻器以調節輸出電壓。
線性穩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，穩壓器不損壞。穩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定能力兩個方面。
壓差和接地電流值定了后就可確定穩壓器適用的設備類型。五大主流線性穩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定，它比較適合電壓差較高的設備使用，規范NPN穩壓器的優點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩定接地電流。但較高的壓差使得這種穩壓器不適合許多嵌入式設備使用。
NPN旁路晶體管穩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定在幾個毫安，而且它公共發射極結構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壓器。因此這種PNP旁路晶體管穩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，會形成數毫安的不穩定接地電流。因為采用公共發射極結構，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電阻(ESR電容才干夠穩定工作。
線性穩壓器的優劣勢分析
線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。其產品均采用小型封裝，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，線性穩壓器一直得到業界的廣泛采用。在開關模式電源于上世紀60年代后成為主流之前，線性穩壓器曾經是電源行業的基礎。即使在今天，線性穩壓器仍然在眾多的應用中廣為使用。
1.線性穩壓器的優勢分析
除了簡單易用之外，線性穩壓器還擁有其他的性能優勢。電源管理供應商開發了許多集成型線性穩壓器。典型的集成線性穩壓器只需要VIN、VOUT、FB和任選的GND引腳。圖4示出了一款典型的3引腳線性穩壓器LT1083,它是凌力爾特公司在20多年前開發的。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壓器來設計電源。
圖4：集成型線性穩壓器實例：只有3個引腳的7.5A線性穩壓器。
2. 線性穩壓器的缺點分析
線性穩壓器會消耗大量的功率。采用線性穩壓器的一個主要缺點是其運行于線性模式之串聯晶體管Q1會有過大功率耗散。如前文所述，線性穩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過串聯電阻器，故其功率耗散為PLOSS=(VIN-VO)IO。在該場合中，線性穩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，并在穩壓器中產生了熱量。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，線性穩壓器的最大效率與VO/VIN之比成比例。
圖5：線性穩壓器的最大效率與VO/VIN之比的關系。
另一方面，線性穩壓器可以在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也許不再能夠調節輸出電壓。那些能夠在低裕量(VIN-VO)條件下工作的線性穩壓器被稱為低壓差穩壓器(LDO)。另外，還有一個明顯之處就是線性穩壓器或LDO只能提供降壓DC/DC轉換。在那些要求VO電壓高于VIN電壓，或者需要從一個正VIN電壓產生負VO電壓的應用中，線性穩壓器顯然是不起作用。
線性穩壓器的應用
線性穩壓器的主要應用體現在以下幾個方面：
1. 簡單/低成本的解決方案。線性穩壓器和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. 快速瞬態應用。線性穩壓器反饋環路一般都是內置的，因此無需外部補償。相比于SMPS,線性穩壓器通常具有較寬的控制環路帶寬和較快的瞬態響應。
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可提供一種優于SMPS的解決方案。
常用線性穩壓器的技術分析
電壓差和接地電流值主要由線性穩壓器的旁路元件(pass element)確定，電壓差和接地電流值定了后就可確定穩壓器適用的設備類型。目前使用的五大主流線性穩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穩壓器的優點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩定接地電流，即使沒有輸出電容也相當穩定。這種穩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定在幾個毫安，而且它的公共發射極結構具有很低的輸出阻抗。
PNP旁路晶體管是一種低壓差穩壓器，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，會形成數毫安的不穩定接地電流。由于采用公共發射極結構，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電阻(ESR)的電容才能夠穩定工作。
由于P溝道FET穩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。該類型穩壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩壓器的電壓差可以很低，因為很容易通過調整FET尺寸將漏-源阻抗調整到較低值。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的電容才能穩定工作。
N溝道FET穩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定工作，但電容值不用很大，ESR也不重要。N溝道FET穩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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