浅谈低压差线性稳压器从拓扑结构到注意事项

songzhige

线性稳压器的拓扑结构

近几年来，随着半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次，对于中小功率的应用，可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高到1MHz，还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

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。

                               
登录/注册后可看大图

上述5种线性稳压器的压差计算公式见附表1。

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%。

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。

                               
登录/注册后可看大图

低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较见表2。

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。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。● 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。● 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。● 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。● 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。