浅谈低压差线性稳压器的拓扑结构与应用

1 低压差线性稳压器的发展现状及应用领域

随着现代科技的进步，便携式电子产品正朝着高效节能、短小轻薄的方向发展。而传统的集成线性稳压器的输入/输出压差较高，这就大大限制了它在低压供电领域中的应用。LDO 是一种线性稳压器。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。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右;与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。更新的发展使用 MOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

近年来问世的低压差线性稳压器，它一经问世便显示出强大的生命力，并以低功耗、高效率、低噪声、高抗扰、体积小、重量轻等显着优点，LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。由PNP型驱动管和NPN型调整管构成的准低压差稳压器(QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator);由导通电阻非常低的功率场效应晶体管构成的超低压差线性稳压器(VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator)。

低压差线性稳压器特别适合采用电池供电的便携式电子产品，如笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机、数码摄录像机、数字视频光盘(DVD)、可视电话、全球定位系统(GPS)、机顶盒(STB)、便携式仪表、汽车电子设备等。

图1　线性稳压器的5种拓扑结构

a)传统的NPN型稳压器　b)准低压差线性稳压器(QLDO)　c)低压差线性稳压器(LDO)　d)PMOS超低压差线性稳压器　e)NMOS超低压差线性稳压器

2 线性稳压器的拓扑结构

近几年来，随着半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次，对于中小功率的应用，可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高到1MHz，还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

线性稳压器的5种拓扑结构如图1所示。a图为传统的NPN型线性稳压器，其输入/输出压差超过2.5～3V，I为驱动电流(下同)。b图为准低压差线性稳压器(QLDO)，其压差可减小到0.9～1.5V。c图为PNP型低压差线性稳压器(LDO)，其压差仅为0.3～0.6V。d图为由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器(VLDO)，其压差可降至100mV左右。e图为由N沟道MOS管构成的NMOS VLDO，其压差可低至几十毫伏。

上述5种线性稳压器的压差计算公式见附表1。

3 低压差线性稳压器的主要特点

低压差线性稳压器的主要特点是可最大限度地降低调整管压降，从而大大减小了输入-输出压差，使稳压器能在输入电压略高于额定输出电压的条件下工作。例如，传统的线性稳压器7805或LM317，要求输入电压必须比输出电压高出2.5～3V才能正常工作。为获得+5V输出，就需要+8V的输入电压。与之相比，新型低压差稳压器的输入电压只需高于+5.3V，即可获得+5V输出。从电源效率上看，LM317工作在+3.3V、1A时的效率低于50%。

低压差线性稳压器与开关稳压器相比，主要有以下6个优点：①稳压性能好;②低噪声(可达几十个微伏，无开关噪声)、低纹波(电源抑制比可达60～70dB)，这对于无线电和通信设备至关重要;③低静态电流(超βLDO的静态电流可低至几微安至几十微安)，低功耗，当输入电压与输出电压接近时可达到很高的效率;④具有快速响应能力，能对负载及输入电压的变化做出快速反应;⑤外围电路简单(仅用两只电容器)，使用方便;⑥成本低廉。

低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较见表2。

低压差线性稳压器的应用

低压差线性稳压器的基本应用有以下5种。

1 交流供电的低压差线性稳压器

采用交流供电的低压差线性稳压器电路如图2所示。交流输入电压首先经过电源变压器降压，再通过整流滤波器送至低压差线性稳压器(LDO)，最后获得直流稳压输出。

图2 采用交流供电的低压差线性稳压器电路

2 采用电池供电的低压差线性稳压器

采用电池供电的低压差线性稳压器电路如图3所示。低压差线性稳压器在采用电池供电时更具有明显的优势。

图3 采用电池供电的低压差线性稳压器电路

3 开关电源的后置线性稳压器

开关电源的后置线性稳压器电路如图4所示。开关电源以电源效率高而着称，但其输出噪声和纹波较大。将线性稳压器接在开关稳压器后面构成的复合式稳压电源，兼有开关电源和线性稳压电源的优点，不仅电源效率很高，而且稳压性能好，输出噪声极低，可获得纯净的直流输出电压。