【線性穩壓電源】線性穩壓器的原理 線性穩壓電源優缺點

線性穩壓器主要包括普通線性穩壓器和LDO（Low Dropout Regulator，低壓差線性穩壓器）兩種類型，它們的主要區別是：普通線性穩壓器（如常見的78系列三端穩壓器）工作時要求輸入與輸出之間的壓差值較大（一般要求在2～3V以上），功耗較高；而LDO工作時要求輸入與輸出之間的壓差值較?。梢詾镮V以下甚至更低），功耗較低。

（1）線性穩壓器基本工作原理

線性穩壓器是通過輸出電壓反饋，經誤差放大器等組成的控制電路來控制調整管的管壓降VDD（即壓差）來達到穩壓的目的，其原理框圖如圖1所示。特點是VIN必須大于VOUT，調整管工作在線性區（線性穩壓器從此得名）。輸入電壓的變動或負載電流的變化引起輸出電壓變動時，通過反饋及控制電路，改變VDO的大小，使輸出電壓VOUT基本不變。

普通線性穩壓器和LD0的工作原理是一致的，不同的是，二者采用的調整管結構不同，從而使LD0比普通線性穩壓器壓差更小，功耗更低。

有些液晶顯示器中使用的線性穩壓器i設有輸出控制端，也就是說，這種穩壓器輸出電壓受控制端的控制。圖2所示是可控穩壓器的內部框圖。

EN（有時也用符號SHDN表示）為輸出控制端，一般由微處理器加低電平（或高電平）使LDO關閉（或工作），在關閉電源狀態時，電流約為1μA。

（2）線性穩壓器的特點

線性穩壓器具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪聲小的特點。線性穩壓器的封裝類型很多，非常適合在液晶顯示器中使用。對于固定電壓輸出的場合，外圍只需2～3個很小的電容即可構成整個電路。

超低的輸出電壓噪聲是線性穩壓器最大的優勢。輸出電壓的紋波不到35μV（RMS），又有極高的信噪抑制比，非常適合用做對噪聲敏感的小信號處理電路供電。同時，由于沒有開關時大的電流變化所引發的電磁干擾（EMI），所以便于設計。

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

每種線性穩壓器都有各自的優缺點，最終得由設計師根據壓差、接地電流和穩定性補償方法等要求，確定某種類型穩壓器是否適合設備使用。

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，因此目前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%。