1.前言

電子設(shè)備不管是由交流市電經(jīng)過(guò)整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過(guò)程中，電源電壓都將在很大范圍內(nèi)變化。各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負(fù)載變化的影響。為了保證供電電壓穩(wěn)定不變，幾乎所有的電子設(shè)備都采用穩(wěn)壓器供電。小型精密電子設(shè)備還要求電源非常干凈（無(wú)紋波、無(wú)噪聲），以免影響電子設(shè)備正常工作。為了滿足精密電子設(shè)備的要求，應(yīng)在電源的輸入端加入線性穩(wěn)壓器，以保證電源電壓恒定和實(shí)現(xiàn)有源噪聲濾波。LDO就是最常用的線性穩(wěn)壓器，本文論述了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本原理和主要參數(shù)，并介紹LDO的典型應(yīng)用和常用設(shè)計(jì)。

2.術(shù)語(yǔ)、定義和縮略語(yǔ)

本文使用的專用術(shù)語(yǔ)、定義見(jiàn)表2.1。

表 2.1 專用術(shù)語(yǔ)、定義及縮略語(yǔ)

3.穩(wěn)壓器的分類

穩(wěn)壓器是用于提供一種不隨負(fù)載阻抗、輸入電壓、溫度和時(shí)間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓。它的分類可以有很多種，可以按材料分類，按工作狀態(tài)分類，按電流分類等等，下面就幾種典型分類來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，以使大家能夠?qū)Ρ疚乃攸c(diǎn)講述的LDO有更深一步的認(rèn)識(shí)。

3.1.線性穩(wěn)壓電源和非線性穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓器的核心是調(diào)整管，調(diào)整管是三極管用在電源調(diào)壓穩(wěn)壓負(fù)荷時(shí)的稱謂，此時(shí)它的作用是調(diào)整電源電流、電壓的，故稱調(diào)整管。根據(jù)穩(wěn)壓器內(nèi)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和非線性穩(wěn)壓電源。

3.1.1.非線性穩(wěn)壓器

顧名思義，線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源；非線性穩(wěn)壓器，是調(diào)整管工作在非線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓器。

開關(guān)電源是最典型的非線性穩(wěn)壓器，在工作時(shí)，開關(guān)管（在開關(guān)電源中，我們一般把調(diào)整管叫做開關(guān)管）工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)下：

開——電阻很小；關(guān)——電阻很大。

開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開關(guān)電源的工作原理。

圖3.1 開關(guān)電源基本原理

如圖3.1所示，電路由開關(guān)K（實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管），續(xù)流二極管D，儲(chǔ)能電感L，濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開關(guān)斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過(guò)二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

在開關(guān)閉合期間，電感存儲(chǔ)能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲(chǔ)能電感。二極管D在開關(guān)斷開期間，負(fù)責(zé)給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續(xù)流二極管。

在實(shí)際的開關(guān)電源中，開關(guān)K由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管代替。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流很小；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電壓很小，所以發(fā)熱功率U×I就會(huì)很小。這就是開關(guān)電源效率高的原因。

3.1.2.線性穩(wěn)壓電源

通常所說(shuō)的線性穩(wěn)壓器，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下，可這么來(lái)理解：RW（見(jiàn)下面的分析）是連續(xù)可變的，亦即是線性的。

線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電壓的原理可以用圖3.2來(lái)表述。

圖3.2線性穩(wěn)壓器原理

如上圖所示，可變電阻RW跟負(fù)載電阻RL組成一個(gè)分壓電路，輸出電壓為：Uo=Ui×R L /(R W +R L )。因此通過(guò)調(diào)節(jié)RW的大小，即可改變輸出電壓的大小。請(qǐng)注意，在這個(gè)式子里，如果我們只看可調(diào)電阻RW的值變化，Uo的輸出并不是線性的，但如果把RW和RL一起看，則是線性的。還要注意，這個(gè)圖并沒(méi)有將RW的引出端畫成連到左邊，而畫在右邊。雖然這從公式上看并沒(méi)有什么區(qū)別，但畫在右邊，卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念----實(shí)際中的電源，絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的，使用前饋方法很少，或就是用了，也只是輔助方法而已。

如果用一個(gè)三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管，來(lái)代替圖中的可變阻器，并通過(guò)檢測(cè)輸出電壓的大小，來(lái)控制這個(gè)“變阻器”阻值的大小，使輸出電壓保持恒定，這樣就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。這個(gè)三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管是用來(lái)調(diào)整電壓輸出大小的，所以叫做調(diào)整管。

像圖3.2所示的那樣，由于調(diào)整管串聯(lián)在電源跟負(fù)載之間，所以叫做串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。相應(yīng)的，還有并聯(lián)型穩(wěn)壓電源，就是將調(diào)整管跟負(fù)載并聯(lián)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。所謂并聯(lián)的意思，就是像圖3.3中的穩(wěn)壓管那樣，通過(guò)分流來(lái)保證衰減放大管射極電壓的“穩(wěn)定”。

由于調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致效率不高。這是線性穩(wěn)壓電源最主要的一個(gè)缺點(diǎn)。

3.3 并聯(lián)型線性穩(wěn)壓器

一般來(lái)說(shuō)，線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動(dòng)電路等部分。圖3.3是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓電源原理圖（示意圖，省略了濾波電容等元件），取樣電阻通過(guò)取樣輸出電壓，并與參考電壓比較，比較結(jié)果由誤差放大電路放大后，控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

線性穩(wěn)壓器的一個(gè)最大缺點(diǎn)是調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，因此在電路中使用受到效率的制約。近年來(lái)，低壓差（Low-dropout）穩(wěn)壓器（LDO）和準(zhǔn)LDO（quasi-LDO）出現(xiàn)讓線性穩(wěn)壓器大量的應(yīng)用在電路中，后面的章節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。

3.1.3.開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)

開關(guān)電源具有功耗小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。在圖3.1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，開關(guān)K在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關(guān)晶體管K的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80％。

體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管K上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。

穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1／500，1／1000。

電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管K工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。

3.2.線性穩(wěn)壓器的基本原理

幾乎所有的穩(wěn)壓器將輸出電源穩(wěn)定都利用了相同的技術(shù)，穩(wěn)壓器輸出電壓通過(guò)反饋到誤差放大器輸入端的分壓電阻采樣。誤差放大器的正端連接到一個(gè)參考電壓。這個(gè)參考電壓是由內(nèi)部的帶隙參考源產(chǎn)生的。誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此，它提供負(fù)載電流以保證輸出電壓穩(wěn)定。

如圖3.4所示，取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Vref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過(guò)所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過(guò)程中，輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行，調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應(yīng)速度的限制

圖3.4 穩(wěn)壓器的基本原理框圖

Uout = Vref(1+R1/R2)

3.3.線性穩(wěn)壓器的分類

線性穩(wěn)壓器有很多種分類方式，例如可按靜態(tài)電流分類，可以分為OmniPower、MicroPower 、NanoPower三種產(chǎn)品；也可以按照壓差進(jìn)行分類，分為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器，準(zhǔn)LDO和LDO，即低壓差線性穩(wěn)壓器；還可以按照調(diào)整管的類型分類。

OmniPower LDO的靜態(tài)電流在100uA1mA之間，是一種靜態(tài)電流稍大但性能優(yōu)于三端穩(wěn)壓器的新型線性穩(wěn)壓器，適用于使用AC/DC固定電源的所有電子產(chǎn)品，因其需求量大，生產(chǎn)量大，而生產(chǎn)成本極低，價(jià)格十分便宜。MicroPower LDO的靜態(tài)電流在10uA100uA之間，是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它具有極低的自有噪音和較高的電源紋波抑制(PSRR)，具有快捷的使能控制功能，給它一個(gè)高(或者低)的電平可使它進(jìn)入工作狀態(tài)或睡眠狀態(tài)，具有最好的性能/功率比，在需要低噪音的手機(jī)電源中必然使用。NanoPower LDO的靜態(tài)電流小于10uA，通常只有1uA，是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，具有極低的靜態(tài)電流，穩(wěn)壓十分精確，最適用于需要節(jié)電的手提電子、電器產(chǎn)品。

標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器大多使用NPN 達(dá)林頓管（圖3.5），因此在本文中稱其為NPN 穩(wěn)壓器。在NPN穩(wěn)壓器的內(nèi)部使用一個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)NPN達(dá)林頓，因此器件的輸入輸出之間會(huì)有1.5V到2.5V的壓差。這個(gè)壓差（dropout voltage）為：

Vdrop ＝ 2VBE ＋VSAT（NPN REG）

圖3.5 NPN穩(wěn)壓器

準(zhǔn)LDO在一些應(yīng)用中被廣泛的采用（例如：5V變3.3V）（圖3.6）。準(zhǔn)LDO因?yàn)樗橛贜PN穩(wěn)壓器和LDO之間因此得名。它的調(diào)整管是由單個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)NPN管。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間：

Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat

3.6 準(zhǔn)LDO

在LDO中，調(diào)整管一般是一個(gè)PNP管（圖3.7）。LDO的最大優(yōu)勢(shì)就是PNP管只會(huì)帶來(lái)很小的導(dǎo)通壓降：

Vdrop ＝ Vsat （LDO 穩(wěn)壓器）

圖3.7 PNP LDO

滿載的跌落壓降一般小于500mV。輕載時(shí)的壓降只有10到20mV。

3.4. LDO的結(jié)構(gòu)

LDO的結(jié)構(gòu)區(qū)別，主要是調(diào)整管的類型不同。常見(jiàn)的有如圖3.8所示四種類型調(diào)整管： NPN雙極型晶體管、PNP雙極型晶體管、復(fù)合晶體管和PMOS晶體管，不同結(jié)構(gòu)和類型的LDO有不同特性。

圖3.8調(diào)整管的類型

對(duì)于給定的電源電壓，雙極型調(diào)整管可提供最大的輸出電流。PNP優(yōu)于NPN，因?yàn)镻NP的基極可以與地連接，必要時(shí)使晶體管完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接，從而使最小壓降限制到一個(gè)VBE結(jié)壓降。因此，NPN管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1 V的壓差。然而它們?cè)谛枰獙拵捄涂谷菪载?fù)載干擾時(shí)非常有用（因?yàn)樗鼈兙哂械洼敵鲎杩筞OUT特性）。

近年來(lái)很多新型LDO使用PMOS晶體管作為調(diào)整管。如圖3.9所示。

圖3.9 PMOS晶體管LDO

為了了解使用PMOS晶體管 LDO的好處，必須先注意到在PNP LDO（如圖2.5）中要驅(qū)動(dòng)PNP功率管就需要基極電流。基極電流由地腳流出并反饋回輸入電壓的負(fù)端。因此，這些基極驅(qū)動(dòng)電流并未用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。它在LDO中耗損的功耗由下式計(jì)算：

PWR（BaseDrive）＝Vin×Ibase

需要驅(qū)動(dòng)PNP管的基極電流等于負(fù)載電流除以β值（PNP管的增益）。在一些PNP LDO中該β值一般為15-20（與負(fù)載電流相關(guān)）。由此基極驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的功耗不是所期望的（尤其是在電池供電應(yīng)用中）。使用PMOS晶體管可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)電流很小。

PMOS晶體管 LDO另一個(gè)好處是通過(guò)調(diào)整FET的導(dǎo)通阻抗可以將穩(wěn)壓器的跌落電壓作的很小。對(duì)于集成的穩(wěn)壓器而言，在單位面積上制造的FET的導(dǎo)通阻抗會(huì)比PNP三極管的導(dǎo)通阻抗低。這就可以在更小封裝下產(chǎn)生更大的電流。

3.5.幾種線性穩(wěn)壓器的性能比較

NPN，LDO和準(zhǔn)LDO在參數(shù)上的最大不同就是：跌落電壓（dropout voltage）和地腳電流（ground pin current）。

圖 3.10 穩(wěn)壓器

為了便于分析，定義地腳電流為IGND ，如圖3.10表示。并忽略了IC漏到地上的偏置電流。可以很清楚的知道，IGND等于負(fù)載電流IL除以調(diào)整管的增益。

在NPN穩(wěn)壓器中由于達(dá)林頓管的增益很高，所以它只需很小的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流。因此它的地腳電流也很低（一般只有幾個(gè)mA）。準(zhǔn)LDO也有較好的性能，就像國(guó)半的LM1085可以輸出3A的電路卻只有10mA的地電流。LDO的地腳電流一般會(huì)較高。在滿載時(shí)，PNP管的β值一般也就15-20。也就是說(shuō)LDO的地腳電流一般為負(fù)載電流的7%。

NPN穩(wěn)壓器的最大好處就是無(wú)條件的穩(wěn)定（不需外部電容）。LDO在輸出端最少需要一個(gè)外部電容以減少回路帶寬（loop bandwidth）及提供一些正相位補(bǔ)償（positive phase shift）。準(zhǔn)LDO一般也需要一些輸出容性，但是要小于LDO的要求，并且電容的特性局限也要少些。

關(guān)于各種結(jié)構(gòu)線性穩(wěn)壓器差別，可以見(jiàn)下面的表3.1。隨著工藝日趨成熟，CMOS LDO成本越來(lái)越低，它的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

表3.1 各種結(jié)構(gòu)線性穩(wěn)壓器區(qū)別