低压差线性稳压器的拓扑结构与应用

线性稳压器拓扑结构及主要特点

1 低压差线性稳压器的发展现状及应用领域

随着现代科技的进步，便携式电子产品正朝着高效节能、短小轻薄的方向发展。而传统的集成线性稳压器的输入/输出压差较高，这就大大限制了它在低压供电领域中的应用。尽管开关稳压器的电源效率高，但开关噪声大、输出纹波电压高，且容易产生电磁干扰（EMI），也难以满足高端射频收发装置（如手机）及视频装置（如DVD）的需要。

近年来问世的低压差线性稳压器，它一经问世便显示出强大的生命力，并以低功耗、高效率、低噪声、高抗扰、体积小、重量轻等显著优点，深受人们的青睐。低压差线性稳压器有3种类型：由低饱和压降的PNP型晶体管作内部调整管的PNP型低压差线性稳压器（LDO，Low Dropout Linear Regulator）；由PNP型驱动管和NPN型调整管构成的准低压差稳压器（QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator）；由导通电阻非常低的功率场效应晶体管构成的超低压差线性稳压器（VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator）。

低压差线性稳压器特别适合采用电池供电的便携式电子产品，如笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机、数码摄录像机、数字视频光盘（DVD）、可视电话、全球定位系统（GPS）、机顶盒（STB）、便携式仪表、汽车电子设备等。

图1  线性稳压器的5种拓扑结构

a）传统的NPN型稳压器  b）准低压差线性稳压器（QLDO）  c）低压差线性稳压器（LDO）  d）PMOS超低压差线性稳压器  e）NMOS超低压差线性稳压器

2 线性稳压器的拓扑结构

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。

上述5种线性稳压器的压差计算公式见附表1。

3 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%，若采用Micrel公司的MIC5156型3.3V大电流低压差线性稳压器，则当输入电压略高于3.3V时其效率高达95%。

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。

低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较见表2。

低压差线性稳压器的应用

低压差线性稳压器的基本应用有以下5种。

1 交流供电的低压差线性稳压器

采用交流供电的低压差线性稳压器电路如图2所示。交流输入电压首先经过电源变压器降压，再通过整流滤波器送至低压差线性稳压器（LDO），最后获得直流稳压输出。

图2 采用交流供电的低压差线性稳压器电路

2 采用电池供电的低压差线性稳压器

采用电池供电的低压差线性稳压器电路如图3所示。低压差线性稳压器在采用电池供电时更具有明显的优势。　

图3 采用电池供电的低压差线性稳压器电路

3 开关电源的后置线性稳压器

开关电源的后置线性稳压器电路如图4所示。开关电源以电源效率高而著称，但其输出噪声和纹波较大。将线性稳压器接在开关稳压器后面构成的复合式稳压电源，兼有开关电源和线性稳压电源的优点，不仅电源效率很高，而且稳压性能好，输出噪声极低，可获得纯净的直流输出电压。

图4  开关电源的后置线性稳压器电路

4 多路输出式低压差线性稳压器

多路输出式低压差线性稳压器电路如图5所示，利用4个使能端（Enable 1～Enable 4）可分别控制各路稳压输出的通、断。通信系统中各子系统的模块通常是由各自的稳压器供电的，即使它们采用相同的电源电压。

图5  多路输出式低压差线性稳压器电路

5  低压差线性稳压器在微处理器电源系统中的应用

LP2951是SIipex公司推出的低压差线性稳压器系列产品，其最高输入电压为30V，最大输出电流为100mA。固定输出式的输出电压有 3种规格：＋5.0V、＋3.0V和＋3.3V。它具有静态电流小（仅为75μA）、输出电压精度高（±0.5%）、电压调整率及负载调整率高（可达±0.05%），低压差（满载输出时的压降为380mV）、低温度系数（20×10-6/℃）等优点。利用其故障标志输出端，可对输出电压进行监测，当LDO的输出电压降低或输入电压跌落时，可通过逻辑电路将LDO关断，起到电源复位的作用，特别适合采用电池供电的系统，如手机、便携式仪表、携式消费类电子产品及笔记本电脑。

图6  由两片LP2951CN构成的微处理器电源检测及辅助输出电路

由两片LP2951CN（IC1、IC2）构成的微处理器电源检测及辅助输出电路如图6所示。LP2951CN的输出电压为   ＋5V。IC1为主电源，UO1为主输出，给μP供电。IC2为辅助电源，UO2为辅助输出，可作为存储器的备用电源并给镍镉蓄电池（NiCad）充电。LP2951CN的SNS（SNSES）为检测端，UOT接内部取样电阻分压器的抽头，FB为反馈端。作固定输出时，应将FB端与UOT端短接。Error为故障标志信号输出端，当输出电压低于4.70V或输入电压低于     4.70V＋ΔU（ΔU代表压差）时，该端输出低电平信号。SD（Shutdown）为掉电控制端，接高电平时关断LP2951CN的输出。图中，VD1～VD4均为隔离二极管。该电路的特点是将IC2的SD端悬空，使IC2总处于正常接通状态；IC1则处于受控状态。从IC2的Error端输出的故障信号（低电平）有三种用途，一是作为早期报警信号，二是给微处理器提供复位信号，三是经过VT反相后从集电极输出（高电平），将IC1关断。R1为镍镉蓄电池的限流电阻，R2为Error端的上拉电阻。

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。需要注意在数据表中是如何对IQ规定的。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。有的新型稳压器通过对芯片进行激光修正，可使输出电压的精度达到±2%，甚至更高的指标。

· 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。例如，1μF以上的大容量陶瓷电容器，ESR通常会很低（＜20mΩ），这几乎会使所有的LDO产生振荡。为避免发生振荡，可在陶瓷电容器上串联一只小电阻以增加ESR。若ESR过大，则LDO可能工作不稳定。ESR与温度有关，当温度低于10℃时ESR增加较快。铝电解电容器在低温时的ESR会显著增大，例如当温度从20℃降至－40℃时，铝电解电容器的ESR典型值可增加60～70倍，因此它不适合用作PNP型LDO的输出电容。推荐采用陶瓷电容器或钽电容器。陶瓷电容器的优点是价格低廉，ESR很低（约为10mΩ数量级），基本上不随温度而变化，故障模式一般为断路。钽电容器的漏电流小，高频特性及低温特性好，ESR约为100mΩ数量级，故障模式一般为短路，其价格较高，适用于VLDO。

· 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。为降低基准噪声，可在基准电压的输出端增加一级低通滤波器。某些低噪声LDO芯片专门设置一个基准电压引脚BP（Bypass），用于接旁路电容。旁路电容可选470pF～0.01μF的陶瓷电容。容量过大，在上电时对LDO输出电压上升的速率会产生影响。旁路电容量越大，输出电压的上升速率越慢。

· 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。采用TO-220等封装的LDO可选择叉指式或筋片式成品散热器；采用表面贴片式封装的小型化LDO，可利用单面印刷电路板上的铜箔制成散热器。

· 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。