摘要

本文介紹線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的基本概念。主要面向不太熟悉電源設計和選擇的系統工程師。還介紹了線(xiàn)性穩壓器和SMPS的基本工作原理并討論了每個(gè)解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，以降壓轉換器為例進(jìn)一步說(shuō)明了開(kāi)關(guān)穩壓器的設計考慮因素。

簡(jiǎn)介

當今的電子系統設計需要越來(lái)越多的供電軌和供電解決方案，負載范圍從備用電源的幾mA到ASIC穩壓器的100A以上不等。為目標應用選擇合適的解決方案并滿(mǎn)足指定的性能要求至關(guān)重要，如高效率、緊密印刷電路板(PCB)空間、準確的輸出電壓調節、快速瞬態(tài)響應、低解決方案成本等。對于許多可能沒(méi)有強大電源技術(shù)背景的系統設計者來(lái)說(shuō)，電源管理設計工作變得越來(lái)越頻繁，越來(lái)越具有挑戰性。

電源轉換器從給定輸入電源為負載生成輸出電壓和電流。它需要在穩態(tài)和瞬態(tài)條件下滿(mǎn)足負載電壓或電流調節要求。還必須在組件出現故障時(shí)保護負載和系統。根據具體應用，設計人員可選擇線(xiàn)性穩壓器(LR)或開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)解決方案。為了更好地選擇解決方案，設計人員必須熟悉各種方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和設計考慮因素。

本文重點(diǎn)關(guān)注非隔離電源應用，并介紹其操作和設計基礎知識。

線(xiàn)性穩壓器

線(xiàn)性穩壓器的工作原理

我們先來(lái)舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子。在嵌入式系統中，前端電源提供一個(gè)12V總線(xiàn)供電軌。而在系統板上，運算放大器需要3.3V供電電壓。產(chǎn)生3.3V電壓最簡(jiǎn)單的方式是對12V總線(xiàn)使用電阻分壓器，如圖1所示。效果好嗎？答案通常是否定的。在不同的工作條件下，運算放大器的V_CC引腳電流可能有所不同。如果使用固定電阻分壓器，IC V_CC電壓會(huì )隨著(zhù)負載的不同而不同。而且，12V總線(xiàn)輸入可能調節不佳。同一系統中可能有多個(gè)其他負載共用12V供電軌。由于總線(xiàn)阻抗，12V總線(xiàn)電壓隨總線(xiàn)負載條件而變化。因此，電阻分壓器無(wú)法向運算放大器提供經(jīng)過(guò)調節的3.3V電壓，來(lái)確保正常運行。因此，需要專(zhuān)用電壓調節環(huán)路。如圖2所示，反饋環(huán)路需要調節頂部電阻R1值，以便在V_CC上動(dòng)態(tài)調節3.3V。

圖1.電阻分壓器從12V總線(xiàn)輸入生成3.3V_DC

圖2.反饋環(huán)路調整串聯(lián)電阻R1值以調節3.3V

使用線(xiàn)性穩壓器可實(shí)現這種可變電阻，如圖3所示。線(xiàn)性穩壓器以線(xiàn)性模式操作雙極性或場(chǎng)效應功率晶體管(FET)。因此，晶體管作為可變電阻與輸出負載串聯(lián)。為建立反饋環(huán)路，從概念上講，誤差放大器通過(guò)采樣電阻網(wǎng)絡(luò )R_A和R_B檢測直流輸出電壓，然后將反饋電壓V_FB與基準電壓V_REF進(jìn)行比較。誤差放大器輸出電壓通過(guò)電流放大器驅動(dòng)串聯(lián)功率晶體管的基極。當輸入V_BUS電壓減小或負載電流增大時(shí)，V_CC輸出電壓下降。反饋電壓V_FB也下降。因此，反饋誤差放大器和電流放大器產(chǎn)生更多的電流饋入晶體管Q1的基極。這就減少了壓降V_CE，而恢復V_CC輸出電壓，使V_FB等于V_REF。而另一方面，如果V_CC輸出電壓增加，負反饋電路也會(huì )增加V_CE，確保精確調節3.3V輸出�？偠�言之，V_O的任何變化都會(huì )被線(xiàn)性穩壓器晶體管的V_CE電壓吸收。因此，輸出電壓V_CC始終保持恒定，并得到良好的調節。

圖3.線(xiàn)性穩壓器實(shí)現可變電阻以調節輸出電壓

為何使用線(xiàn)性穩壓器？

很長(cháng)一段時(shí)間以來(lái)，線(xiàn)性穩壓器一直廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域。在開(kāi)關(guān)模式電源自20世紀60年代問(wèn)世普及之前，線(xiàn)性穩壓器始終是電源行業(yè)的基礎元件。即便是今天，線(xiàn)性穩壓器仍然廣泛應用于各種應用領(lǐng)域。

除了使用簡(jiǎn)單，線(xiàn)性穩壓器還具有其他性能優(yōu)勢。電源管理供應商開(kāi)發(fā)了許多集成式線(xiàn)性穩壓器。典型的集成式線(xiàn)性穩壓器僅需V_IN、V_OUT、FB和可選GND引腳。圖4顯示了20多年前ADI公司開(kāi)發(fā)的典型3引腳線(xiàn)性穩壓器LT1083。僅需1個(gè)輸入電容、1個(gè)輸出電容和2個(gè)反饋電阻即可設置輸出電壓。幾乎任何電氣工程師都可以使用這些簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器來(lái)設計電源。

圖4.集成式線(xiàn)性穩壓器示例：只有3個(gè)引腳的7.5A線(xiàn)性穩壓器 

一個(gè)缺點(diǎn)——線(xiàn)性穩壓器非常耗電

使用線(xiàn)性穩壓器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其串聯(lián)晶體管Q1在線(xiàn)性模式下工作的功耗過(guò)高。如前所述，線(xiàn)性穩壓器晶體管從概念上講是一個(gè)可變電阻。由于所有負載電流都必須通過(guò)串聯(lián)晶體管，其功耗為P_Loss = (V_IN – V_O) •I_O。在這種情況下，線(xiàn)性穩壓器的效率可通過(guò)以下公式快速估算：

因此，在圖1的示例中，當輸入為12V，輸出為3.3V時(shí)，線(xiàn)性穩壓器效率只有27.5%。在該例中，72.5%的輸入功率被浪費，并在穩壓器中產(chǎn)生熱量。這意味著(zhù)，晶體管必須具有散熱能力，以便在最大V_IN和滿(mǎn)負載的最壞情況下處理功耗和散熱問(wèn)題。因此，線(xiàn)性穩壓器及其散熱器的尺寸可能很大，特別是當V_O比V_IN小很多時(shí)。圖5顯示線(xiàn)性穩壓器的最大效率與V_O/V_IN比率成正比。

圖5.最大線(xiàn)性穩壓器效率與V_O/V_IN比率

另一方面，如果V_O接近V_IN，則線(xiàn)性穩壓器的效率很高。但是，線(xiàn)性穩壓器(LR)還有一個(gè)限制，即V_IN和V_O之間的最小電壓差。LR中的晶體管必須在線(xiàn)性模式下工作。因此，雙極性晶體管的集電極到發(fā)射極或FET的漏極到源極之間需要一定程度的最小壓降。如果V_O太接近V_IN，LR可能就無(wú)法調節輸出電壓。能夠以低裕量(V_IN – V_O)工作的線(xiàn)性穩壓器稱(chēng)為低壓差穩壓器(LDO)。

很明顯，線(xiàn)性穩壓器或LDO只能提供降壓DC/DC轉換。在需要V_O電壓比V_IN電壓高，或需要從正V_IN電壓獲得負V_O電壓的應用中，線(xiàn)性穩壓器顯然不起作用。

均流線(xiàn)性穩壓器實(shí)現高功率[8]

對于需要更多功率的應用，必須將穩壓器單獨安裝在散熱器上以便散熱。在全表面貼裝系統中，這種做法不可行，因此功耗限制（例如1W）會(huì )限制輸出電流。遺憾的是，要直接并聯(lián)線(xiàn)性穩壓器來(lái)分散產(chǎn)生的熱量并不容易。

用精密電流源替換圖3所示的基準電壓，能夠直接并聯(lián)線(xiàn)性穩壓器以分散電流負載，由此分散IC上消散的熱量。這樣就能夠在高輸出電流、全表面貼裝應用中使用線(xiàn)性穩壓器，在這些應用中，電路板上的任何一個(gè)點(diǎn)都只能消散有限的熱量。

ADI公司的LT3080是首個(gè)可調線(xiàn)性穩壓器，可并聯(lián)使用以增加電流。如圖6所示，其精密零TC 10µA內部電流源連接到運算放大器的非反相輸入。通過(guò)使用外部單電壓設置電阻R_SET，可將線(xiàn)性穩壓器的輸出電壓從0V調節到(V_IN – V_DROPOUT)。

圖6.具有精密電流源基準的單電阻設置LDO LT3080

圖7顯示了并聯(lián)LT3080實(shí)現均流有多簡(jiǎn)單。只需將LT3080的SET引腳連接在一起，兩個(gè)穩壓器的基準電壓就相同。由于運算放大器經(jīng)過(guò)精密調整，調整引腳和輸出之間的失調電壓小于2mV。在這種情況下，只需10mΩ鎮流電阻（小型外部電阻和PCB走線(xiàn)電阻之和）即可平衡負載電流，且均流超過(guò)80%。還需要更多功率？并聯(lián)5到10個(gè)設備也是合理的。

圖7.并聯(lián)兩個(gè)LT3080線(xiàn)性穩壓器以增加輸出電流

更適合使用線(xiàn)性穩壓器的應用

在許多應用中，線(xiàn)性穩壓器或LDO可提供出色的開(kāi)關(guān)電源解決方案，包括：

<!--[if !supportLists]-->1.    <!--[endif]-->簡(jiǎn)單/低成本解決方案：線(xiàn)性穩壓器或LDO解決方案簡(jiǎn)單易用，特別適用于熱應力不太重要的具有低輸出電流的低功耗應用。無(wú)需使用外部電源電感。

<!--[if !supportLists]-->2.    <!--[endif]-->低噪聲/低紋波應用：對于噪聲敏感型應用，如通信和射頻器件，盡可能減少電源噪聲非常重要。線(xiàn)性穩壓器的輸出電壓紋波很低，因為不會(huì )頻繁開(kāi)關(guān)元件，但帶寬很高。因此，幾乎沒(méi)有EMI問(wèn)題。一些特殊的LDO（如ADI LT1761 LDO系列）在輸出端的噪聲電壓低至20μV_RMS。SMPS幾乎無(wú)法達到這種低噪聲電平。即使采用極低ESR電容，SMPS通常也有1mV輸出紋波。

<!--[if !supportLists]-->3.    <!--[endif]-->快速瞬態(tài)應用：線(xiàn)性穩壓器反饋環(huán)路通常在內部，因此無(wú)需外部補償。一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器的控制環(huán)路帶寬比SMPS更寬，瞬態(tài)響應更快。

<!--[if !supportLists]-->4.    <!--[endif]-->低壓差應用：對于輸出電壓接近輸入電壓的應用，LDO可能比SMPS更高效。還有超低壓差LDO (VLDO)，如ADI LTC1844、LT3020和LTC3025，其壓差為20mV至90mV，電流高達150mA。最小輸入電壓可低至0.9V。由于LR中沒(méi)有交流開(kāi)關(guān)損耗，因此LR或LDO的輕負載效率類(lèi)似于其滿(mǎn)負載效率。由于交流開(kāi)關(guān)損耗，SMPS通常具有更低的輕負載效率。在輕負載效率同樣重要的電池供電應用中，LDO提供的解決方案比SMPS更好。

綜上所述，設計人員使用線(xiàn)性穩壓器或LDO是因為它們簡(jiǎn)單、噪聲低、成本低、易于使用并提供快速瞬態(tài)響應。如果V_O接近V_IN，LDO可能比SMPS更高效。