低压差线性稳压器的拓扑结构与应用

线性稳压器拓扑结构及主要特点
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。尽管开关稳压器的电源效率高，但开关噪声大、输出纹波电压高，且容易产生电磁干扰（EMI），也难以满足高端射频收发装置（如手机）及视频装置（如DVD）的需要。

　　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、重量轻等显著优点，深受人们的青睐。低压差线性稳压器有3种类型：由低饱和压降的PNP型晶体管作内部调整管的PNP型低压差线性稳压器（LDO，Low Dropout Linear Regulator）；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

　　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%，若采用Micrel公司的MIC5156型3.3V大电流低压差线性稳压器，则当输入电压略高于3.3V时其效率高达95%。

　　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著称，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。


图4 开关电源的后置线性稳压器电路
4 多路输出式低压差线性稳压器

　　多路输出式低压差线性稳压器电路如图5所示，利用4个使能端（Enable 1～Enable 4）可分别控制各路稳压输出的通、断。通信系统中各子系统的模块通常是由各自的稳压器供电的，即使它们采用相同的电源电压。


图5 多路输出式低压差线性稳压器电路

5 低压差线性稳压器在微处理器电源系统中的应用

　　LP2951是SIipex公司推出的低压差线性稳压器系列产品，其最高输入电压为30V，最大输出电流为100mA。固定输出式的输出电压有 3种规格：＋5.0V、＋3.0V和＋3.3V。它具有静态电流小（仅为75μA）、输出电压精度高（±0.5%）、电压调整率及负载调整率高（可达±0.05%），低压差（满载输出时的压降为380mV）、低温度系数（20×10-6/℃）等优点。利用其故障标志输出端，可对输出电压进行监测，当LDO的输出电压降低或输入电压跌落时，可通过逻辑电路将LDO关断，起到电源复位的作用，特别适合采用电池供电的系统，如手机、便携式仪表、携式消费类电子产品及笔记本电脑。
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