线性稳压器拓扑结构及主要特点

　　1 低压差线性稳压器的发展现状及应用领域

　　随着现代科技的进步，便携式电子产品正朝着高效节能、短小轻薄的方向发展。而传统的集成线性稳压器的输入/输出压差较高，这就大大限制了它在低压供电领域中的应用。尽管开关稳压器的电源效率高，但开关噪声大、输出纹波电压高，且容易产生电磁干扰(EMI)，也难以满足高端射频收发装置(如手机)及视频装置(如DVD)的需要。

　　近年来问世的低压差线性稳压器，它一经问世便显示出强大的生命力，并以低功耗、高效率、低噪声、高抗扰、体积小、重量轻等显著优点，深受人们的青睐。低压差线性稳压器有3种类型：由低饱和压降的PNP型晶体管作内部调整管的PNP型低压差线性稳压器(LDO，Low Dropout Linear Regulator);由PNP型驱动管和NPN型调整管构成的准低压差稳压器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator);由导通电阻非常低的功率场效应晶体管构成的超低压差线性稳压器(VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator)。

　　低压差线性稳压器特别适合采用电池供电的便携式电子产品，如笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机、数码摄录像机、数字视频光盘(DVD)、可视电话、全球定位系统(GPS)、机顶盒(STB)、便携式仪表、汽车电子设备等。

　　a)传统的NPN型稳压器 b)准低压差线性稳压器(QLDO) c)低压差线性稳压器(LDO) d)PMOS超低压差线性稳压器 e)NMOS超低压差线性稳压器

　　2 线性稳压器的拓扑结构

　　线性稳压器的5种拓扑结构如图1所示。a图为传统的NPN型线性稳压器，其输入/输出压差超过2.5～3V，I为驱动电流(下同)。b图为准低压差线性稳压器(QLDO)，其压差可减小到0.9～1.5V。c图为PNP型低压差线性稳压器(LDO)，其压差仅为0.3～0.6V。d图为由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器(VLDO)，其压差可降至100mV左右。e图为由N沟道MOS管构成的NMOS VLDO，其压差可低至几十毫伏。

　　3 低压差线性稳压器的主要特点

　　低压差线性稳压器的主要特点是可最大限度地降低调整管压降，从而大大减小了输入-输出压差，使稳压器能在输入电压略高于额定输出电压的条件下工作。例如，传统的线性稳压器7805或LM317，要求输入电压必须比输出电压高出2.5～3V才能正常工作。为获得+5V输出，就需要+8V的输入电压。与之相比，新型低压差稳压器的输入电压只需高于+5.3V，即可获得+5V输出。从电源效率上看，LM317工作在+3.3V、1A时的效率低于50%，若采用Micrel公司的MIC5156型3.3V大电流低压差线性稳压器，则当输入电压略高于3.3V时其效率高达95%。

　　低压差线性稳压器与开关稳压器相比，主要有以下6个优点：①稳压性能好;②低噪声(可达几十个微伏，无开关噪声)、低纹波(电源抑制比可达60～70dB)，这对于无线电和通信设备至关重要;③低静态电流(超βLDO的静态电流可低至几微安至几十微安)，低功耗，当输入电压与输出电压接近时可达到很高的效率;④具有快速响应能力，能对负载及输入电压的变化做出快速反应;⑤外围电路简单(仅用两只电容器)，使用方便;⑥成本低廉。

　　低压差线性稳压器的应用

　　低压差线性稳压器的基本应用有以下5种。

　　1 交流供电的低压差线性稳压器

　　采用交流供电的低压差线性稳压器电路交流输入电压首先经过电源变压器降压，再通过整流滤波器送至低压差线性稳压器(LDO)，最后获得直流稳压输出。

　　2 采用电池供电的低压差线性稳压器

　　采用电池供电的低压差线性稳压器电路如图3所示。低压差线性稳压器在采用电池供电时更具有明显的优势。

　　3 开关电源的后置线性稳压器

　　开关电源的后置线性稳压器电路如图4所示。开关电源以电源效率高而著称，但其输出噪声和纹波较大。将线性稳压器接在开关稳压器后面构成的复合式稳压电源，兼有开关电源和线性稳压电源的优点，不仅电源效率很高，而且稳压性能好，输出噪声极低，可获得纯净的直流输出电压。

　　4 多路输出式低压差线性稳压器

　　多路输出式低压差线性稳压器电路如图5所示，利用4个使能端(Enable 1～Enable 4)可分别控制各路稳压输出的通、断。通信系统中各子系统的模块通常是由各自的稳压器供电的，即使它们采用相同的电源电压。

　　5 低压差线性稳压器在微处理器电源系统中的应用

　　LP2951是SIipex公司推出的低压差线性稳压器系列产品，其最高输入电压为30V，最大输出电流为100mA。固定输出式的输出电压有 3种规格：+5.0V、+3.0V和+3.3V。它具有静态电流小(仅为75μA)、输出电压精度高(±0.5%)、电压调整率及负载调整率高(可达±0.05%)，低压差(满载输出时的压降为380mV)、低温度系数(20×10-6/℃)等优点。利用其故障标志输出端，可对输出电压进行监测，当LDO的输出电压降低或输入电压跌落时，可通过逻辑电路将LDO关断，起到电源复位的作用，特别适合采用电池供电的系统，如手机、便携式仪表、携式消费类电子产品及笔记本电脑。

　　由两片LP2951CN(IC1、IC2)构成的微处理器电源检测及辅助输出电路如图6所示。LP2951CN的输出电压为 +5V。IC1为主电源，UO1为主输出，给μP供电。IC2为辅助电源，UO2为辅助输出，可作为存储器的备用电源并给镍镉蓄电池(NiCad)充电。LP2951CN的SNS(SNSES)为检测端，UOT接内部取样电阻分压器的抽头，FB为反馈端。作固定输出时，应将FB端与UOT端短接。Error为故障标志信号输出端，当输出电压低于4.70V或输入电压低于 4.70V+ΔU(ΔU代表压差)时，该端输出低电平信号。SD(Shutdown)为掉电控制端，接高电平时关断LP2951CN的输出。图中，VD1～VD4均为隔离二极管。该电路的特点是将IC2的SD端悬空，使IC2总处于正常接通状态;IC1则处于受控状态。从IC2的Error端输出的故障信号(低电平)有三种用途，一是作为早期报警信号，二是给微处理器提供复位信号，三是经过VT反相后从集电极输出(高电平)，将IC1关断。R1为镍镉蓄电池的限流电阻，R2为Error端的上拉电阻。

　　低压差线性稳压器使用注意事项

　　· 使用低压差线性稳压器时不得超过芯片的最高输入电压(UIM)、最大功耗(PDM)、最高结温(TjM)等极限参数值。最大功耗PDM=(UIM-UO)IOM。一般讲，芯片的封装尺寸越小，功耗越低。

　　· 输入电压必须大于预期的输出电压与输入-输出压差之和，即UI>UO+ΔU，否则低压差线性稳压器无法正常工作。

　　· 为延长电池使用寿命，应选择相对于负载电流而言，静态电流IQ较小的LDO。例如，为使IQ只增加0.02%的电池消耗，在100mA负载电流的情况下，采用IQ=200μA的VLDO比较合理。需要注意在数据表中是如何对IQ规定的。某些器件是在室温条件下规定的，或只提供IQ与温度关系的典型曲线。必要时可实测IQ值。

　　· 输出电压的精度亦称允许偏差。线性稳压器的输出电压精度一般不超过额定值的±5%。对大多数应用而言，该精度已经足够了。有的新型稳压器通过对芯片进行激光修正，可使输出电压的精度达到±2%，甚至更高的指标。

　　· 由于输出电容是用来补偿LDO的，因此在选择输出电容器时应格外仔细。一般情况下，采用等效串联电阻(ESR)较低的大电容器，可提高电源抑制比，降低噪声电压并改善瞬态响应。但ESR过高或过低，也可能造成振荡。例如，1μF以上的大容量陶瓷电容器，ESR通常会很低(<20mΩ)，这几乎会使所有的LDO产生振荡。为避免发生振荡，可在陶瓷电容器上串联一只小电阻以增加ESR。若ESR过大，则LDO可能工作不稳定。ESR与温度有关，当温度低于10℃时ESR增加较快。铝电解电容器在低温时的ESR会显著增大，例如当温度从20℃降至-40℃时，铝电解电容器的ESR典型值可增加60～70倍，因此它不适合用作PNP型LDO的输出电容。推荐采用陶瓷电容器或钽电容器。陶瓷电容器的优点是价格低廉，ESR很低(约为10mΩ数量级)，基本上不随温度而变化，故障模式一般为断路。钽电容器的漏电流小，高频特性及低温特性好，ESR约为100mΩ数量级，故障模式一般为短路，其价格较高，适用于VLDO。

　　· 手机、MP3、游戏机及多媒体PDA等便携式设备，适配300～500mA的LDO。为获得良好的音频质量，这种LDO在20Hz～20kHz的音频范围内应具有噪声电压低、电源抑制比(PSRR)很高的特性。

　　· 为满足精密电子设备的供电要求，应尽量减小LDO的输出噪声。LDO的输出噪声主要来源于基准电压电路，它所产生的噪声经过放大后送至输出端。影响LDO输出噪声的其他因素还有LDO内部放大器的极点、零点和输出极点，外部输出电容的容量、输出电容的等效串联电阻(ESR)及负载值。为降低基准噪声，可在基准电压的输出端增加一级低通滤波器。某些低噪声LDO芯片专门设置一个基准电压引脚BP(Bypass)，用于接旁路电容。旁路电容可选470pF～0.01μF的陶瓷电容。容量过大，在上电时对LDO输出电压上升的速率会产生影响。旁路电容量越大，输出电压的上升速率越慢。

　　· 在查阅LDO的产品资料时，应注意所给出精度指标是在室温下，还是在整个工作温度范围内，是满载条件下还是在中等负载或空载条件下。

　　· LDO有多种压差数据，应区分轻载、中等负载、满载条件下的压差最小值、典型值和最大值。满载条件下压差的最大值最具有实际意义，设计时应以此为依据，确保低压差线性稳压器在最坏的情况下仍能正常工作。

　　· 使用LDO时，需要装合适的散热器，以便将芯片内部产生的热量及时散发出去，避免因散热不良二导致管芯温度超过最高结温，使LDO无法正常工作，甚至损坏芯片。采用TO-220等封装的LDO可选择叉指式或筋片式成品散热器;采用表面贴片式封装的小型化LDO，可利用单面印刷电路板上的铜箔制成散热器。

　　· 由LDO构成PC主板电源时必须具有良好的瞬态响应，以利于推动高速变化的负载，确保输出电压保持稳定。

　　· 利用低压差线性稳压器专用设计软件(例如美国Micrel半导体公司开发的免费设计软件LDO-It)，可实现LDO的优化设计。