線(xiàn)性穩(wěn)壓器

線(xiàn)性穩(wěn)壓器的基本電路如圖所示，該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT、取樣的ESR的需求構(gòu)成了外部極。兩個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)治療會(huì)影響設(shè)備的性能，并會(huì)構(gòu)成閉環(huán)重大影響的穩(wěn)定性。

低壓差交流穩(wěn)壓器 是一種輸入電壓大于輸出電壓的直流交流穩(wěn)壓器。它具有輸出電壓穩(wěn)定，低輸出紋波，低噪聲的特點(diǎn)。LDO還具有封裝體積小，外接元件少的特點(diǎn)。由于它的這些優(yōu)點(diǎn)，LDO被廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備、汽車(chē)電子產(chǎn)品、工業(yè)和醫(yī)療儀器設(shè)備。當(dāng)前隨著大量的便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，比如PDA、移動(dòng)電話(huà)、MP3等被廣泛應(yīng)用于人們的生活工作中。這些便攜式電子設(shè)備體積小巧，且大多使用電池供電，LDO也很適合成為這類(lèi)電子系統(tǒng)的供電方案.

由于LDO的輸入電壓和輸出電壓之間存在一個(gè)壓差，當(dāng)輸出一定的負(fù)載電流時(shí)，會(huì)在LDO上消耗Power=UI的功率。這會(huì)影響LDO的效率，如果這個(gè)功率很大，還會(huì)導(dǎo)致LDO上的功率傳輸管發(fā)熱，需要使用體積龐大的散熱片，這樣不利于LDO應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備中。如果能盡量減小這個(gè)壓差，這樣LDO不但能起到穩(wěn)壓的作用，還能有較高的效率，在輸出較大負(fù)載電流時(shí)也不會(huì)發(fā)熱。

當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備在我們的工作生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的重要，比如手機(jī)、無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)本、藍(lán)牙(Blue tooth)等。這些無(wú)線(xiàn)設(shè)備的體積小巧，且作為手持式移動(dòng)設(shè)備一般采用電池來(lái)供電，這樣小體積且外接元件少的LDO是它們合適的供電方案。

但無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備的射頻發(fā)送器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響電源質(zhì)量的噪聲，比如手機(jī)的射頻功放的開(kāi)關(guān)頻率為217Hz。射頻功放在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都會(huì)從電源吸取很大的電流(典型情況下高達(dá)1.7A)，使得在電池的等效串聯(lián)電阻(ESR)上將產(chǎn)生高達(dá)500毫伏的突發(fā)壓降。對(duì)于嵌入了高分辨率音頻轉(zhuǎn)換器和音頻放大器的SoC來(lái)說(shuō)，這種變化將危害SoC的總體性能，特別是音頻模塊的音頻處理質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響，聽(tīng)得到嗡嗡的噪聲。這種噪聲的特點(diǎn)是可聽(tīng)得見(jiàn)，因?yàn)樗皇请S機(jī)的噪聲。事實(shí)上，幅度低至10mV的噪聲如果以一個(gè)固定速率發(fā)生就可以被人耳聽(tīng)見(jiàn)。這種噪聲比更大幅度的隨機(jī)噪聲更讓人不能接受

線(xiàn)性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個(gè)旁路電容。新型線(xiàn)性穩(wěn)壓器可達(dá)到以下指標(biāo):30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態(tài)電流及100mV的壓差。線(xiàn)性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，而不是通常線(xiàn)性穩(wěn)壓器中的PNP晶體管。P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動(dòng)，所以大大降低了器件本身的電流;另一方面，在采用PNP管的結(jié)構(gòu)中，為了防止PNP晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差;而P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積，極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時(shí)，線(xiàn)性穩(wěn)壓器是最好的選擇，可達(dá)到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V 電壓的應(yīng)用中大多選用線(xiàn)性穩(wěn)壓器，盡管電池最后放電能量的百分之十沒(méi)有使用，但是線(xiàn)性穩(wěn)壓器仍然能夠在低噪聲結(jié)構(gòu)中提供較長(zhǎng)的電池壽命。

線(xiàn)性穩(wěn)壓器使用在其線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)運(yùn)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(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱(chēng)為傳遞設(shè)備)作為 PNP.這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類(lèi)似。

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(dòng)穩(wěn)定能力兩個(gè)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(lèi)型。五大主流線(xiàn)性穩(wěn)壓器每個(gè)都具有不同的旁路元件(passelement和獨(dú)特性能，電壓差和接地電流值主要由線(xiàn)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(méi)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(diǎn)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(cuò)的選擇，對(duì)于嵌入式應(yīng)用而言,因?yàn)樗鼔翰钚?，容易使用。不過(guò)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?yàn)樗鼔翰畈粔虻?。高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個(gè)毫安，而且它公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。

電壓差和接地電流值主要由線(xiàn)性穩(wěn)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(wěn)壓器適用的設(shè)備類(lèi)型。五大主流線(xiàn)性穩(wěn)壓器每個(gè)都具有不同的旁路元件(pass element)和獨(dú)特性能，分別適合不同的設(shè)備使用。

常用線(xiàn)性穩(wěn)壓器的技術(shù)分析

標(biāo)準(zhǔn)NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)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(méi)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(duì)于嵌入式應(yīng)用而言，NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗膲翰钚?，而且非常容易使用。不過(guò)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?yàn)樗膲翰畈粔虻汀Ｋ母咴鲆鍺PN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個(gè)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?yàn)閴翰畹?，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(guò)它的大接地電流會(huì)縮短電池的壽命。另外，PNP晶體管增益較低，會(huì)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(lèi)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?yàn)楹苋菀淄ㄟ^(guò)調(diào)整FET尺寸將漏-源阻抗調(diào)整到較低值。另一個(gè)有用的特性是低的接地電流，因?yàn)镻溝道FET的"柵極電流"很低。然而，由于 P溝道FET具有相對(duì)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(fù)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(lái)建立柵極偏置電壓，因此電路相對(duì)復(fù)雜一些。幸運(yùn)的是，相同負(fù)載電流下N溝道FET尺寸最多時(shí)可比P溝道FET小50%。

低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)使用在其線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)運(yùn)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(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下100mV之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。

正輸出電壓的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱(chēng)為傳遞設(shè)備)作為PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為200mV左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的壓降為2V左右。負(fù)輸出LDO使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類(lèi)似。更新的發(fā)展使用CMOS功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用CMOS，通過(guò)穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的ON電阻造成的。如果負(fù)載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。

1.經(jīng)常觀察穩(wěn)壓器的冷卻風(fēng)扇和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行正常，查看輸入電壓和負(fù)載是否超過(guò)額定范圍，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)處理。

2.每一個(gè)月對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行一次維護(hù):

1)仔細(xì)清掃各部件，特別是碳刷，接觸線(xiàn)圈的裸露部分，去除污垢;

2)檢查穩(wěn)壓器內(nèi)部各部件和線(xiàn)頭是否有松動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于有連接不牢或接觸不良的，應(yīng)及時(shí)處理;

3)及時(shí)更換磨損或損壞的碳刷，發(fā)現(xiàn)有故障或損壞的元件及時(shí)維修或更換。

低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計(jì)和外部旁路、補(bǔ)償電路的影響。圖3是低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來(lái)源是基準(zhǔn)電路(voltage reference)模塊，其產(chǎn)生的基準(zhǔn)噪聲在輸出端被放大。此外，影響低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器輸出噪聲的其他因素還有:低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器內(nèi)部放大器的極點(diǎn)、零點(diǎn)和輸出極點(diǎn)，外部輸出電容的容值和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(esr)值，以及負(fù)載值。 圖3 低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) 降低輸出噪聲的方法 ● bp 端加旁路電容 為降低基準(zhǔn)噪聲，需要在基準(zhǔn)的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器內(nèi)部或由外部電路實(shí)現(xiàn)。但內(nèi)置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加了芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。為此，有些低噪聲低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器芯片只是提供一個(gè)基準(zhǔn)的引腳bp(bypass),用于連接基準(zhǔn)旁路電容。 連接基準(zhǔn)旁路電容可降低基準(zhǔn)噪聲，使基準(zhǔn)噪聲成為產(chǎn)生低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器輸出噪聲的次要因素。建議使用典型值為 470pf~0.01μf的陶瓷電容，也可使用此范圍以外的電容，但會(huì)對(duì)輸入電源上電時(shí)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器 輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響。旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時(shí)要注意這點(diǎn)。 圖4為旁路電容對(duì)sg2001輸出噪聲的影響。由圖可見(jiàn)，隨著旁路電容的增大，輸出噪聲也會(huì)有一定程度的減少。 圖4 旁路電容對(duì)sg2001輸出噪聲的影響 ● 減小低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的負(fù)載電流。 負(fù)載電流也會(huì)在一定程度上影響低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的輸出噪聲。圖5為負(fù)載電流對(duì)sgm2007輸出噪聲影響。由圖可見(jiàn)，隨著負(fù)載電流的增大，輸出噪聲也會(huì)有一定的增加。為了減小負(fù)載電流對(duì)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器輸出噪聲的影響，要盡量選擇輸出電流大的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器。 圖5 負(fù)載電流對(duì)低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器噪聲的影響 ● 增大低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的輸出電容 低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器需要連接外部輸入和輸出電容器。利用較低esr的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(psrr)、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)槠鋬r(jià)格低且故障模式是斷路模式。此外，輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(esr)也會(huì)影響其穩(wěn)定性。陶瓷電容器具有較低的esr，大概為10 mΩ量級(jí)。