1 低壓差線性穩壓器的發展現狀及應用領域

隨著現代科技的進步，便攜式電子產品正朝著高效節能、短小輕薄的方向發展。而傳統的集成線性穩壓器的輸入/輸出壓差較高，這就大大限制了它在低壓供電領域中的應用。LDO 是一種線性穩壓器。線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內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)穩壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。更新的發展使用 MOS 功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用 功率MOS，通過穩壓器的唯一電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小，這種方式產生的壓降只有幾十毫伏。

近年來問世的低壓差線性穩壓器，它一經問世便顯示出強大的生命力，并以低功耗、高效率、低噪聲、高抗擾、體積小、重量輕等顯著優點，LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩壓器，是相對于傳統的線性穩壓器來說的。傳統的線性穩壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2v~3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件的。針對這種情況，才有了LDO類的電源轉換芯片。由PNP型驅動管和NPN型調整管構成的準低壓差穩壓器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator);由導通電阻非常低的功率場效應晶體管構成的超低壓差線性穩壓器(VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator)。

低壓差線性穩壓器特別適合采用電池供電的便攜式電子產品，如筆記本電腦、手機、MP3播放器、數碼相機、數碼攝錄像機、數字視頻光盤(DVD)、可視電話、全球定位系統(GPS)、機頂盒(STB)、便攜式儀表、汽車電子設備等。

圖1　線性穩壓器的5種拓撲結構

a)傳統的NPN型穩壓器　b)準低壓差線性穩壓器(QLDO)　c)低壓差線性穩壓器(LDO)　d)PMOS超低壓差線性穩壓器　e)NMOS超低壓差線性穩壓器

2 線性穩壓器的拓撲結構

近幾年來，隨著半導體技術的發展，表面貼裝的電感器、電容器、以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，體積越來越小。由于出現了導通電阻很小的MOSFET可以輸出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如對于3V的輸入電壓，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的輸出。其次，對于中小功率的應用，可以使用成本低小型封裝。另外，如果開關頻率提高到1MHz，還能夠降低成本、可以使用尺寸較小的電感器和電容器。有些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

線性穩壓器的5種拓撲結構如圖1所示。a圖為傳統的NPN型線性穩壓器，其輸入/輸出壓差超過2.5～3V，I為驅動電流(下同)。b圖為準低壓差線性穩壓器(QLDO)，其壓差可減小到0.9～1.5V。c圖為PNP型低壓差線性穩壓器(LDO)，其壓差僅為0.3～0.6V。d圖為由P溝道MOS管構成的PMOS超低壓差線性穩壓器(VLDO)，其壓差可降至100mV左右。e圖為由N溝道MOS管構成的NMOS VLDO，其壓差可低至幾十毫伏。

上述5種線性穩壓器的壓差計算公式見附表1。

3 低壓差線性穩壓器的主要特點

低壓差線性穩壓器的主要特點是可最大限度地降低調整管壓降，從而大大減小了輸入-輸出壓差，使穩壓器能在輸入電壓略高于額定輸出電壓的條件下工作。例如，傳統的線性穩壓器7805或LM317，要求輸入電壓必須比輸出電壓高出2.5～3V才能正常工作。為獲得+5V輸出，就需要+8V的輸入電壓。與之相比，新型低壓差穩壓器的輸入電壓只需高于+5.3V，即可獲得+5V輸出。從電源效率上看，LM317工作在+3.3V、1A時的效率低于50%。

低壓差線性穩壓器與開關穩壓器相比，主要有以下6個優點：①穩壓性能好;②低噪聲(可達幾十個微伏，無開關噪聲)、低紋波(電源抑制比可達60～70dB)，這對于無線電和通信設備至關重要;③低靜態電流(超βLDO的靜態電流可低至幾微安至幾十微安)，低功耗，當輸入電壓與輸出電壓接近時可達到很高的效率;④具有快速響應能力，能對負載及輸入電壓的變化做出快速反應;⑤外圍電路簡單(僅用兩只電容器)，使用方便;⑥成本低廉。

低壓差線性穩壓器與其他穩壓器的性能比較見表2。

低壓差線性穩壓器的應用

低壓差線性穩壓器的基本應用有以下5種。

1 交流供電的低壓差線性穩壓器

采用交流供電的低壓差線性穩壓器電路如圖2所示。交流輸入電壓首先經過電源變壓器降壓，再通過整流濾波器送至低壓差線性穩壓器(LDO)，最后獲得直流穩壓輸出。

圖2 采用交流供電的低壓差線性穩壓器電路

2 采用電池供電的低壓差線性穩壓器

采用電池供電的低壓差線性穩壓器電路如圖3所示。低壓差線性穩壓器在采用電池供電時更具有明顯的優勢。

圖3 采用電池供電的低壓差線性穩壓器電路

3 開關電源的后置線性穩壓器

開關電源的后置線性穩壓器電路如圖4所示。開關電源以電源效率高而著稱，但其輸出噪聲和紋波較大。將線性穩壓器接在開關穩壓器后面構成的復合式穩壓電源，兼有開關電源和線性穩壓電源的優點，不僅電源效率很高，而且穩壓性能好，輸出噪聲極低，可獲得純凈的直流輸出電壓。