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【线性稳压电源】线性稳压器的原理 线性稳压电源优缺点

本文章由注册用户含苞裕放上传提供 2018-04-21 02:30:26 版权声明发布反馈
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摘要:在开关电源成为电源设计界的主流之前,一直是线性稳压器的天下。现如今,线性稳压器虽然已经退居幕后,但是在很多应用中还是能看到它的身影。线性稳压器的原理是什么?线性稳压电源优缺点有哪些?

【线性稳压电源】线性稳压器的原理 线性稳压电源优缺点

线性稳压器主要包括普通线性稳压器和LDO(Low Dropout Regulator,低压差线性稳压器)两种类型,它们的主要区别是:普通线性稳压器(如常见的78系列三端稳压器)工作时要求输入与输出之间的压差值较大(一般要求在2~3V以上),功耗较高;而LDO工作时要求输入与输出之间的压差值较小(可以为IV以下甚至更低),功耗较低。

(1)线性稳压器基本工作原理

线性稳压器是通过输出电压反馈,经误差放大器等组成的控制电路来控制调整管的管压降VDD(即压差)来达到稳压的目的,其原理框图如图1所示。特点是VIN必须大于VOUT,调整管工作在线性区(线性稳压器从此得名)。输入电压的变动或负载电流的变化引起输出电压变动时,通过反馈及控制电路,改变VDO的大小,使输出电压VOUT基本不变。

普通线性稳压器和LD0的工作原理是一致的,不同的是,二者采用的调整管结构不同,从而使LD0比普通线性稳压器压差更小,功耗更低。

有些液晶显示器中使用的线性稳压器i设有输出控制端,也就是说,这种稳压器输出电压受控制端的控制。图2所示是可控稳压器的内部框图。

EN(有时也用符号SHDN表示)为输出控制端,一般由微处理器加低电平(或高电平)使LDO关闭(或工作),在关闭电源状态时,电流约为1μA。

(2)线性稳压器的特点

线性稳压器具有成本低、封装小、外围器件少和噪声小的特点。线性稳压器的封装类型很多,非常适合在液晶显示器中使用。对于固定电压输出的场合,外围只需2~3个很小的电容即可构成整个电路。

超低的输出电压噪声是线性稳压器最大的优势。输出电压的纹波不到35μV(RMS),又有极高的信噪抑制比,非常适合用做对噪声敏感的小信号处理电路供电。同时,由于没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰(EMI),所以便于设计。

但线性稳压器的缺点是效率不高,且只能用于降压的场合。线性稳压器的效率取决于输出电压与输入电压之比η=Vo:Vio例如,对于普通线性稳压器,在输入电压为5V的情况下,输出电压为2.5V时,效率只有50%,也就是约有50%的电能被转化成热量流失掉了,这也是普通线性稳压器工作时易发热的主要原因:对于LDO,由于是低压差,因此效率要高得多。例如,在输入电压为3.3V的情况下,输出电压为2.5V时,效率可达76%。所以,在液晶显示器中,为了提高电能的利用率,较少采用普通线性稳压器,而多采用LDO。

线性稳压电源优缺点

每种线性稳压器都有各自的优缺点,最终得由设计师根据压差、接地电流和稳定性补偿方法等要求,确定某种类型稳压器是否适合设备使用。

电压差和接地电流值主要由线性稳压器的旁路元件(pass element)确定,电压差和接地电流值定了后就可确定稳压器适用的设备类型。目前使用的五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件(pass element)和独特性能,分别适合不同的设备使用。

标准NPN稳压器的优点是具有约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流,即使没有输出电容也相当稳定。这种稳压器比较适合电压差较高的设备使用,但较高的压差使得这种稳压器不适合许多嵌入式设备使用。

对于嵌入式应用而言,NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择,因为它的压差小,而且非常容易使用。不过这种稳压器仍不适合具有很低压差要求的电池供电设备使用,因为它的压差不够低。它的高增益NPN旁路管可使接地电流稳定在几个毫安,而且它的公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

PNP旁路晶体管是一种低压差稳压器,其中的旁路元件就是PNP晶体管。它的输入输出压差一般在0.3到0.7V之间。因为压差低,因此这种PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备使用。不过它的大接地电流会缩短电池的寿命。另外,PNP晶体管增益较低,会形成数毫安的不稳定接地电流。由于采用公共发射极结构,因此它的输出阻抗比较高,这意味着需要外接特定范围容量和等效串联电阻(ESR)的电容才能够稳定工作。

由于P沟道FET稳压器具有较低的压差和接地电流,因此目前被广泛用于许多电池供电的设备。该类型稳压器将P沟道FET用作它的旁路元件。这种稳压器的电压差可以很低,因为很容易通过调整FET尺寸将漏-源阻抗调整到较低值。另一个有用的特性是低的接地电流,因为P沟道FET的“栅极电流”很低。然而,由于P沟道FET具有相对大的栅极电容,因此它需要外接具有特定范围容量与ESR的电容才能稳定工作。

N沟道FET稳压器非常适合那些要求低压差、低接地电流和高负载电流的设备使用。用于旁路管采用的是N沟道FET,因此这种稳压器的压差和接地电流都很低。虽然它也需要外接电容才能稳定工作,但电容值不用很大,ESR也不重要。N沟道FET稳压器需要充电泵来建立栅极偏置电压,因此电路相对复杂一些。幸运的是,相同负载电流下N沟道FET尺寸最多时可比P沟道FET小50%。

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