雖然設計人員很清楚開(kāi)關(guān) DC/DC 轉換器能效高，但線(xiàn)性穩壓器仍是大多數應用的最佳選擇。了解其中的原因將幫助設計人員做出正確選擇并妥善實(shí)現方案。
本文對線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器進(jìn)行了比較，并介紹了在考慮能效的同時(shí)，如何相應考慮簡(jiǎn)潔性、低成本、穩定性等因素。
開(kāi)關(guān)穩壓器：高效但復雜
開(kāi)關(guān)穩壓器效率高，并且能夠輕松實(shí)現升壓輸出、降壓輸出和電壓逆變。目前的模塊化芯片結構緊湊、性能可靠，許多供應商都有供應。盡管開(kāi)關(guān)穩壓器具有許多優(yōu)勢，但也存在不足之處(表 1)。
首先，開(kāi)關(guān)穩壓器屬于復雜芯片，因此為確保新產(chǎn)品正常工作，可能需要更多的設計工作。其次，目前的開(kāi)關(guān)穩壓器集成度越高，成本也越高，并且還需增大芯片尺寸。最后，所有的高頻率開(kāi)關(guān)往往會(huì )產(chǎn)生噪聲。
在高頻工作模式下，開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )在輸入和輸出濾波器上產(chǎn)生電壓和電流紋波，這是在設計中使用該器件所面臨的主要問(wèn)題。而解決這些問(wèn)題需要時(shí)間和設計技能。
線(xiàn)性穩壓器可以解決開(kāi)關(guān)穩壓器的所有主要缺點(diǎn)。它們簡(jiǎn)單且低成本，需要較少外部元器件，并且不會(huì )因開(kāi)關(guān)產(chǎn)生多余的噪聲。如表 1 所示，對于恰當的應用選擇這些合適的線(xiàn)性穩壓器才是明智之舉。
僅支持降壓工作模式
上段描述中有一關(guān)鍵詞“恰當的應用”，那是因為線(xiàn)性穩壓器存在局限性，這意味著(zhù)它們可能不適合某些設計，但卻會(huì )是另一些設計的合適之選。
例如，線(xiàn)性穩壓器輸出只能低于輸入電壓(“降壓”)。因為存在局限性，所以需要增加額外的電池來(lái)提高基本 DC 供電電壓，才能確保電壓超過(guò) LDO 需要的輸入電壓。每個(gè)穩壓器需使用五個(gè)標稱(chēng)電壓為 1 至 1.5 伏的電池，每個(gè)電池需要在其整個(gè)放電周期內確�？煽康� 5 伏輸出電壓。而額外增加電池的成本很快會(huì )超出使用較少電池即可運行的開(kāi)關(guān)穩壓器成本。此外，額外的電池還占據了寶貴的空間。
另外還有一個(gè)問(wèn)題，如果產(chǎn)品中的元器件需要高于所有其他元器件的電壓，線(xiàn)性穩壓器無(wú)法實(shí)現升壓輸出。還有類(lèi)似的問(wèn)題，在某些模擬電路需要負電壓的情況下，由于線(xiàn)性穩壓器無(wú)法逆轉正電源，因而無(wú)法使用。
線(xiàn)性穩壓器的效率不如開(kāi)關(guān)器件，因此其電池的壽命不如開(kāi)關(guān)穩壓器長(cháng)久。更糟糕的是，如果電池仍有一些電量，但合成后的輸出電壓低于芯片需要的最低電壓，將無(wú)法使用剩余電量。
相比之下，開(kāi)關(guān)器件可以切換至升壓模式，從而用盡電池的最后電量。
當電池的直流源的初始電壓高于實(shí)際需要的軌電壓，且電池電壓隨著(zhù)放電的持續降至所需軌電壓以下時(shí)，降壓升壓穩壓器就非常實(shí)用。降壓升壓器件可以在兩種模式中完美切換，即使在電池電壓降至軌電壓之下，仍可獲得所需的輸出軌電壓值。
在一些極低功耗應用中，以縮短電池壽命為代價(jià)來(lái)避免使用開(kāi)關(guān)穩壓器是可以接受的。例如，使用線(xiàn)性穩壓器導致高功耗產(chǎn)品的電池壽命從 12 小時(shí)縮短至 8 小時(shí)，消費者不太會(huì )對此感到高興;但如果價(jià)格足夠便宜，消費者很可能會(huì )接受低功耗產(chǎn)品的電池壽命從六個(gè)月縮短至五個(gè)月。
線(xiàn)性穩壓器的高能效范圍
線(xiàn)性穩壓器可能無(wú)法達到開(kāi)關(guān)轉換器或穩壓器的整體效率，但其仍具有自身的優(yōu)勢，在輸入和輸出電壓差降低時(shí)，穩壓器能效就會(huì )升高。當輸入電壓剛剛高于輸出電壓值時(shí)，線(xiàn)性穩壓器的能效接近 95% 至 99%。
這種特征表明在特定應用中的線(xiàn)性穩壓器整體效率要高于僅做簡(jiǎn)單直接比較而得出的結果。因此務(wù)必考慮產(chǎn)品工作期間內電池的完整放電特性，并確定該段時(shí)間內的平均效率以獲得精確數值(圖 1)。
圖 1：使用三節 AA 型堿性電池(100 mW 恒定功率負載)的系統中線(xiàn)性穩壓器能效與電池電壓之間的關(guān)系;請注意穩壓器能效如何隨著(zhù)電壓下降而升高。(圖片：Maxim Integrated)盡管電池滿(mǎn)電量時(shí)能效約為 73%，但整個(gè)放電周期內的平均能效為 85%。應該將此數值與開(kāi)關(guān)穩壓器等效數據進(jìn)行比較，因為開(kāi)關(guān)穩壓器電池效率不會(huì )隨著(zhù)電壓下降而升高。
再看一下圖 1，我們會(huì )發(fā)現在 20 小時(shí)后，盡管電池仍有一些電量，但由于輸入和輸出電壓差太小，以至于該器件無(wú)法調節電壓，繼而停止工作。電池實(shí)際為產(chǎn)品供電的總累積電量為：
平均調節效率 × 停止供電前的電池能量使用百分比 =85% × 80% = 68%。
選擇較低壓差特性的 IC 確保耗盡更多的電池電量，從而提高效率。
“壓差”是指調節停止前輸入和輸出電壓的差值。如圖 1 示例所示，如果線(xiàn)性穩壓器更換成具有更高壓差的器件(3.4 至 3.0 伏)，電池可以多使用 2.5 小時(shí)，電池能源利用率將提高至：
85% × 90% = 76.5%
仔細查看制造商提供的規格書(shū)，因為一些所謂的“低壓差”(LDO) 器件的輸入 / 輸出壓差十分大。這意味著(zhù)停止工作前，電池中仍含有很多電量。請注意，壓差可能隨負載電流變化而變化。
LDO 選擇與實(shí)現
對于希望在特定應用中選擇使用 LDO 以便充分利用線(xiàn)性穩壓器優(yōu)勢的設計工程師來(lái)說(shuō)，很可能會(huì )在市場(chǎng)上紛繁蕪雜的選擇面前不知所措。雖然外觀(guān)簡(jiǎn)潔，但一般的 LDO 規格書(shū)除基本的規格表通常還有二十、三十甚至更多性能圖。這些圖展現了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能以及在不同工作場(chǎng)景和條件下的功能。
在針對便攜式應用的 LDO 器件中，有許多器件適合于寬輸入和輸出電壓范圍。一些具有固定輸出電壓、一些具有用戶(hù)可調節輸出電壓、一些可以提供負輸出軌。一些 LDO 較為通用并具有備用電源，而其他一些 LDO 針對特定應用領(lǐng)域專(zhuān)門(mén)優(yōu)化了一個(gè)或多個(gè)參數。以下幾個(gè)示例展示了市面上 LDO 的多樣性。
汽車(chē)：Maxim Integrated MAX16910 是用于汽車(chē)應用的 200 mA 超低靜態(tài)電流 LDO。除了具備基本性能，該器件還適用于要求嚴苛的汽車(chē)應用環(huán)境。具有 +45 伏的抗瞬變輸入電壓，可以應對“負載突降”狀況并在該狀況下工作，還可工作于(指定值)-40°C 至 +125°C 的汽車(chē)溫度范圍(圖 2)。在 +3.5 伏至 +30 伏的輸入電壓下工作，僅消耗 20 微安 (?A) 空載靜態(tài)電流，在用戶(hù)控制關(guān)斷模式下僅為 1.6 μA。
圖 2：Maxim Integrated 的 MAX16910 十分引人注目，因為它符合質(zhì)保功能中嚴苛的汽車(chē)規定，并可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內正常工作。(圖片：Maxim Integrated)負電壓：負電壓設計可不僅僅是反向連接轉換器，還涉及到接地參考問(wèn)題以及其他拓撲問(wèn)題。因而，需要特定的負電壓型 LDO。Analog Devices 的 ADP7183 具有負輸入 / 輸出電壓以及超低噪聲特性(圖 3)。
這些 IC 在 ?2.0 伏至 ?5.5 伏的輸入電壓下工作，最高提供 ?300 毫安 (mA) 的輸出電流。該器件提供 15 種 ?0.5 伏至 ?4.5 伏的固定輸出電壓選擇，或具有在 ?0.5 伏至 ?VIN + 0.5 伏范圍內可調節的輸出電壓。此外，輸出噪聲在 100 Hz 至 100 kHz 時(shí)僅為 4 μVRMS，噪聲譜密度在 10 kHz 至 1 MHz 時(shí)為 20 nV/√Hz。最后，典型電源抑制比 (PSRR) 在 10 kHz 時(shí)為 75 dB;100 kHz 時(shí)為 62 dB;1 MHz 時(shí)為 40 dB。
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