經(jīng)典:全方位探討線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)知識
發(fā)布時間:2015-03-26 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】本篇文章通過基本概念、工作原理、特點、優(yōu)劣勢、應(yīng)用等幾個方面,對線性電源進行了較為全面的分析和講解。這部分知識雖然不像開關(guān)電源一樣是時下熱門,但從中電源設(shè)計者們或許能夠找到更多的靈感,從而完善自己的設(shè)計。
在開關(guān)電源大規(guī)模流行起來之前,在電源行業(yè)當(dāng)中的基礎(chǔ)技術(shù)都要通過線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。在人們開始大規(guī)模使用開關(guān)電源之后,線性穩(wěn)壓器就逐漸淡出了人們的視線,但卻沒有退出電源舞臺?,F(xiàn)如今,線性穩(wěn)壓器在電源設(shè)計當(dāng)中已久有非常高的利用價值。
在本篇文章當(dāng)中,小編將為大家整理關(guān)于線性穩(wěn)壓器的一些基本知識,希望能對大家有所幫助。
線性穩(wěn)壓器的基本概念
線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓,產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。其產(chǎn)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(guān)斷模式還能大幅降低功耗。
線性穩(wěn)壓器的工作原理
圖1電阻分壓器采用12V總線輸入產(chǎn)生3.3VDC
我們從一個簡單的例子開始。在嵌入式系統(tǒng)中,可從前端電源提供一個12V總線電壓軌。在系統(tǒng)板上,需要一個3.3V電壓為一個運算放大器(運放)供電。產(chǎn)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(fā)生變化。假如采用一個固定的電阻分壓器,則ICVCC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(diào)節(jié)。在同一個系統(tǒng)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(wěn)定電壓。
圖2反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻器R1的阻值以調(diào)節(jié)3.3V
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于是,需要一個專用的電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖2所示,反饋環(huán)路必需調(diào)整頂端電阻器R1的阻值以動態(tài)地調(diào)節(jié)VCC上的3.3V。
圖3線性穩(wěn)壓器可實現(xiàn)一個可變電阻器以調(diào)節(jié)輸出電壓
此類可變電阻器可利用一個線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn),如圖3所示。線性穩(wěn)壓器使一個雙極性或場效應(yīng)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(lián)的可變電阻器。從概念上說,如需構(gòu)建反饋環(huán)路,可由一個誤差放大器利用一個采樣電阻器網(wǎng)絡(luò)(RA和RB)來檢測DC輸出電壓,然后將反饋電壓VFB與一個基準(zhǔn)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(qū)動串聯(lián)功率晶體管的基極。
當(dāng)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(chǎn)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(fù),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(zhǔn)確調(diào)節(jié)。總之,VO的任何變化都被線性穩(wěn)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(diào)節(jié)狀態(tài)。
線性穩(wěn)壓器的特點
所謂的抗短路能力要求,是指在相關(guān)材料的短路條件下,穩(wěn)壓器不損壞。穩(wěn)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(wěn)定能力兩個方面。
壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類型。五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(passelement)和獨特性能,電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(passelement確定。分別適合不同的設(shè)備使用。
即使沒有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定,它比較適合電壓差較高的設(shè)備使用,規(guī)范NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流。但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。
NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇,對于嵌入式應(yīng)用而言,因為它壓差小,容易使用。不過這種穩(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)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(wěn)定在幾個毫安,而且它公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)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(wěn)壓器。因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設(shè)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(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。因為采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu),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(lián)電阻(ESR電容才干夠穩(wěn)定工作。
線性穩(wěn)壓器的優(yōu)劣勢分析
線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓,產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。其產(chǎn)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(guān)斷模式還能大幅降低功耗。
長期以來,線性穩(wěn)壓器一直得到業(yè)界的廣泛采用。在開關(guān)模式電源于上世紀(jì)60年代后成為主流之前,線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是電源行業(yè)的基礎(chǔ)。即使在今天,線性穩(wěn)壓器仍然在眾多的應(yīng)用中廣為使用。
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線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢分析
圖4集成型線性穩(wěn)壓器實例:只有3個引腳的7.5A線性穩(wěn)壓器。
除了簡單易用之外,線性穩(wěn)壓器還擁有其他的性能優(yōu)勢。電源管理供應(yīng)商開發(fā)了許多集成型線性穩(wěn)壓器。典型的集成線性穩(wěn)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(wěn)壓器LT1083,它是凌力爾特公司在20多年前開發(fā)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(shè)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(wěn)壓器來設(shè)計電源。
線性穩(wěn)壓器的缺點分析
線性穩(wěn)壓器會消耗大量的功率。采用線性穩(wěn)壓器的一個主要缺點是其運行于線性模式之串聯(lián)晶體管Q1會有過大功率耗散。如前文所述,線性穩(wěn)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(jīng)過串聯(lián)電阻器,故其功率耗散為PLOSS=(VIN-VO)IO。在該場合中,線性穩(wěn)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(dāng)輸入為12V且輸出為3.3V時,線性穩(wěn)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(wěn)壓器中產(chǎn)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(wěn)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(wěn)壓器的最大效率與VO/VIN之比成比例。
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圖5線性穩(wěn)壓器的最大效率與VO/VIN之比的關(guān)系
另一方面,線性穩(wěn)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(wěn)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(fā)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(dāng)VO過于接近VIN時,LR也許不再能夠調(diào)節(jié)輸出電壓。那些能夠在低裕量(VIN-VO)條件下工作的線性穩(wěn)壓器被稱為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。
另外,還有一個明顯之處就是線性穩(wěn)壓器或LDO只能提供降壓DC/DC轉(zhuǎn)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(chǎn)生負VO電壓的應(yīng)用中,線性穩(wěn)壓器顯然是不起作用。
線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用
線性穩(wěn)壓器的主要應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個方面:
1.簡單/低成本的解決方案。線性穩(wěn)壓器和LDO簡單易用,特別適合于那些具有低輸出電流、熱應(yīng)力不很關(guān)鍵的低功率應(yīng)用。無需外部功率電感器。
2.低噪聲/低紋波應(yīng)用。對于那些對噪聲敏感的應(yīng)用(例如:通信和無線電設(shè)備)而言,最大限度地抑制電源噪聲是非常關(guān)鍵的。線性穩(wěn)壓器具有非常低的輸出電壓紋波(因為沒有頻繁接通和關(guān)斷的組件),而且線性穩(wěn)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LT1761LDO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(xiàn)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(tài)應(yīng)用。線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路一般都是內(nèi)置的,因此無需外部補償。相比于SMPS,線性穩(wěn)壓器通常具有較寬的控制環(huán)路帶寬和較快的瞬態(tài)響應(yīng)。
4.低壓差應(yīng)用。對于那些輸出電壓接近輸入電壓的應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)鍵的電池供電型應(yīng)用中,LDO可提供一種優(yōu)于SMPS的解決方案。
常用線性穩(wěn)壓器的技術(shù)分析
電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(passelement)確定,電壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類型。目前使用的五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(passelement)和獨特性能,分別適合不同的設(shè)備使用。
標(biāo)準(zhǔn)NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流,即使沒有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓器比較適合電壓差較高的設(shè)備使用,但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。
對于嵌入式應(yīng)用而言,NPN旁路晶體管穩(wěn)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(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)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(wěn)定在幾個毫安,而且它的公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。
PNP旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)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(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設(shè)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(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。由于采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu),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(lián)電阻(ESR)的電容才能夠穩(wěn)定工作。
由于P溝道FET穩(wěn)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(shè)備。該類型穩(wěn)壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩(wěn)壓器的電壓差可以很低,因為很容易通過調(diào)整FET尺寸將漏-源阻抗調(diào)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(wěn)定工作。
N溝道FET穩(wěn)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(shè)備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET,因此這種穩(wěn)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(wěn)定工作,但電容值不用很大,ESR也不重要。N溝道FET穩(wěn)壓器需要充電泵來建立柵極偏置電壓,因此電路相對復(fù)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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