关于线性稳压器的基本知识全面解析

长期以来，线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪60年代后成为主流之前，线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天，线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。下面我们来就针对线性稳压器的基本知识作一一相关介绍。 一、线性稳压器的基本概念 线性稳压器（Linear Regulator）晶体管或 FET，超过电压从应用的输入电压中减去，产生调整后的输出电压。其产品包装小，性能优异，提供热过载保护、安全流量限制等增值特性，关闭模式可大大降低功耗。 二、线性稳压器的工作原理 我们从一个简单的例子开始。在嵌入式系统中，可从前端电源提供一个12V总线电压轨。系统板上需要3个.3V电压为运算放大器(运放)供电。.3V最简单的电压方法是使用12V总线引出的电阻分压器如图1所示。这种做法有效吗？答案通常是否。在不同的工作条件下运输和放置VCC引脚电流可能会发生变化。使用固定电阻分压器，则IC VCC电压会随负载而变化。此外，12V总线输入可能没有得到很好的调整。在同一个系统中，可能还有许多其他负载共享12V电压轨。由于总线阻抗的原因，12V总线电压会随着总线负载的变化而变化。因此，电阻分压器不能提供3，以确保其正确运行.3V稳定电压。因此，需要一个特殊的电压调节环。如图2所示，顶部电阻器必须调整反馈环R1的电阻值动态调节VCC上的3.3V. 此类可变电阻器可利用一个线性稳压器来实现，如图3所示。线性稳压器使一个双极性或场效应功率晶体管（FET）在其线性模式中运作。这样，晶体管起的作用就是一个与输出负载相串联的可变电阻器。从概念上说，如需构建反馈环路，可由一个误差放大器利用一个采样电阻器网络（RA和RB）来检测DC输出电压，然后反馈电压VFB基准电压VREF比较。误差放大器的输出电压通过电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。VBUS当电压下降或负载电流增加时，VCC输出电压下降。反馈电压VFB它也会下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流，并输入晶体管Q1基极。这将降低电压 VCE，因而使VCC恢复输出电压，这样VFB=VREF.另一方面，如果VCC如果输出电压升时，负反馈电路以类似的方式增加VCE以确保3.3V 准确调整输出。VO线性稳压器晶体管的任何变化VCE电压降低。因此，输出电压VCC始终保持恒定，处于良好的调整状态。 三、线性稳压器的特点 所谓的抗短路能力要求，是指在相关材料的短路条件下，稳压器不损坏。稳压器的抗短路能力包括承受短路的耐热能力和承受短路的动稳定能力两个方面。 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。五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件（passelement电压差和接地电流值主要由线性稳压器旁路元件组成（passelement确定。适用于不同的设备。 即使没有输出电容也相当稳定，它比较适合电压差较高的设备使用，规范NPN稳压器的优点大约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流。但高压差使该稳压器不适用于许多嵌入式 设备。 NPN旁路晶体管稳压器是一个很好的选择。对于嵌入式应用，由于压差小，易于使用。然而，由于压差不够低，这种稳压器仍然不适合电池供电设备。NPN旁路管能使接地电流稳定在几毫安，其公共发射极结构具有较低的输出阻抗。 其中的旁路元件就是PNP晶体管。输入输出压差一般为0.30.7V之间。由于压差低，PNP旁路晶体管是一种低压差稳压器。PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备。但其大接地电流会缩短电池寿命，PNP晶体管增益较低，会形成数毫安不稳定的接地电流。由于采用公共发射极结构，其输出阻抗相对较高，这意味着需要外部特定范围容量和等效串联电阻（ESR电容能够稳定工作。 四、线性稳压器的优劣势分析 线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装，具有出色的性能，并且提供热过载保护、安全限流等增值特性，关断模式还能大幅降低功耗。 长期以来，线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪60年代后成为主流之前，线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天，线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。 1.线性稳压器的优点分析 除了简单易用之外，线性稳压器还拥有其他的性能优势。电源管理供应商开发了许多集成型线性稳压器。典型的集成线性稳压器只需要VIN、VOUT、 FB和任选的GND引脚。图4显示了一个典型的3引脚线性稳压器LT20多年前，凌利尔特开发了1083年。该设备只需要一个输入电容器、输出电容器和两个反馈电阻来设置输出电压。几乎所有的电气工程师都可以使用这些简单的线性稳压器来设计电源。 2. 线性稳压器的缺点分析 线性稳压器会消耗大量的功率。采用线性稳压器的一个主要缺点是其运行于线性模式之串联晶体管Q1.会有大功耗散。正如前面提到的，线性稳压器在概念上是一个可变电阻器。由于所有负载电流必须通过串联电阻，其功耗为PLOSS=（VIN-VO）IO.在这种情况下，线性稳压器的效率可以快速估计为： 于是在图1所示的例子中，当输入为12V且输出为3.3V线性稳压器的效率仅为27.5%.82..5%的输入功率完全浪费，在稳压器中产生热量。这意味着晶体管必须在最坏的情况下（最大）VIN并满载)处理其功率/热耗散的热能。因此，线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，尤其是在VO远远低于VIN当时。如图5所示，线性稳压器的最大效率和VO/VIN比例成比例。 另一方面，线性稳压器可以在VO接近VIN但是线性稳压器效率很高。（LR）还有另一个局限性，即VIN和VO最小电压差。LR晶体管必须在其线性模式下运行。因此，它在双极晶体管的集电极发射到极端两端或FET泄漏极的极端两端需要确定的最小电压降。VO过于接近VIN时，LR输出电压可能无法调节。那些可以在低容量内的人（VIN-VO）工作条件下的线性稳压器称为低压差稳压器（LDO）。 另外，还有一个明显之处就是线性稳压器或LDO只能提供降压DC/DC转换。在这些要求中VO电压高于VIN电压或需要从一个正的VIN电压产生负VO在电压应用中，线性稳压器显然不起作用。 五、线性稳压器的应用 线性稳压器的主要应用体现在以下几个方面： 1. 简单/低成本的解决方案。线性稳压器和LDO简单易用，特别适用于输出电流低、热应力低的低功率应用。不需要外部功率电感器。 2. 低噪声/低纹波应用。对于对噪声敏感的应用（如通信和无线电设备），最大限度地抑制电源噪声至关重要。线性稳压器输出电压纹波非常低（因为没有频繁连接和关闭的组件），线性稳压器也可以有非常高的带宽。因此，几乎没有EMI问题。一些特殊的LDO(比如凌力尔特的 LT1761 LDO输出端噪声电压低至20μVRMS.噪此低的噪声水平SMPS几乎不可能实现。即使使用ESR很低的电容器，SMPS输出纹波通常会达到mV级。 3. 快速瞬态应用。线性稳压器反馈环一般内置，无外部补偿。SMPS，线性稳压器通常具有较宽的控制环带宽和较快的瞬态响应。 4. 低压差应用。对于输出电压接近输入电压的应用，LDO可能比SMPS更有效。压差很低。LDO（VLDO），比如凌力尔特LTC1844、 LT3020和LTC这些设备可提供2025mV至90mV压差电压高达150mA电流。最小输入电压可低至0.9V.由于LR中没有AC开关损耗，因此LR或LDO轻负载效率与满负载效率非常相似。SMPS常常因其AC由于开关损耗，轻负荷效率较低。在电池供电型应用中，轻负荷效率也是非常关键的，LDO可以提供优于SMPS解决方案。 六、常用线性稳压器的技术分析 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后，可确定稳压器的适用设备类型。目前使用的五种主流线性稳压器都有不同的旁路元件（pass element）性能独特，适用于不同的设备。 标准NPN稳压器的优点大约等于PNP即使没有输出电容，晶体管基极电流的稳定接地电流也相当稳定。该稳压器更适合电压差高的设备，但高压差使该稳压器不适合许多嵌入式设备。 对于嵌入式应用而言，NPN旁路晶体管稳压器是一个很好的选择，因为它的压差很小，而且很容易使用。然而，由于压差不够低，该稳压器仍然不适合电池供电设备。其高增益NPN旁路管能使接地电流稳定在几毫安，其公共发射极结构具有较低的输出阻抗。 PNP 旁路晶体管是一种低压差稳压器，其中旁路元件是PNP晶体管。其输入输出压差一般为0.3到0.7V之间。因为压差低，所以这个PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备。但其大接地电流会缩短电池寿命。PNP晶体管增益较低，会形成数毫安不稳定的接地电流。由于采用公共发射极结构，其输出阻抗相对较高，这意味着需要外部特定范围容量和等效串联电阻（ESR）电容器能稳定工作。 由于P沟道FET稳压器压差和接地电流较低，因此广泛应用于许多电池供电设备中。这种类型的稳压器将P沟道FET作为它的旁路元件。这种稳压器的电压差可以很低，因为很容易调整FET尺寸将泄漏源阻抗调整到较低值。另一个有用的特点是接地电流低，因为P沟道FET栅极电流很低。然而，由于 P沟道FET具有相对较大的栅极电容，因此需要具有特定范围的外部容量和ESR电容器可以稳定工作。 N沟道FET稳压器非常适用于需要低压差、低接地电流和高负载电流的设备。旁路管采用N沟道FET，因此，该稳压器的压差和接地电流都很低。尽管它还需要外部电容器来稳定工作，但电容值并不大，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。幸运的是，在相同的负载电流下N沟道FET最大尺寸可比P沟道FET小50%. NCV317MABDTRKG详细规格 品牌：ON/安森美 型号：NCV317MABDTRKG 类型：其他IC 封装：其他 批号：2009 营销方式：现货 供应商类型：代理商 类别：PMIC 描述：IC REG LDO ADJ .5A DPAK 系列：- 制造商：ON Semiconductor 稳压器拓扑：正，可调式 电压_输出：1.2 V ~ 37 V 　　电压_输入：最高 40 V 　　电压_跌落（典型值）：- 　　稳压器数：1 　　电流_输出：500mA（最小） 　　电流_限制（最小值）：- 　　工作温度：-40°C ~ 125°C 　　安装类型：表面贴装 　　封装/外壳：TO-252-3，DPak（2 引线+接片），SC-63供应商器件封装：DPAK-3包装：带卷 (TR)