线性稳压器的原理

摘要：在开关电源成为电源设计界的主流之前，一直是线性稳压器的天下。现如今，线性稳压器虽然已经退居幕后，但是在很多应用中还是能看到它的身影。线性稳压器的原理是什么？线性稳压电源优缺点有哪些？

【线性稳压电源】线性稳压器的原理 线性稳压电源优缺点

线性稳压器主要包括普通线性稳压器和LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）两种类型，它们的主要区别是：普通线性稳压器（如常见的78系列三端稳压器）工作时要求输入与输出之间的压差值较大（一般要求在2～3V以上），功耗较高；而LDO工作时要求输入与输出之间的压差值较小（可以为IV以下甚至更低），功耗较低。

（1）线性稳压器基本工作原理

线性稳压器是通过输出电压反馈，经误差放大器等组成的控制电路来控制调整管的管压降VDD（即压差）来达到稳压的目的，其原理框图如图1所示。特点是VIN必须大于VOUT，调整管工作在线性区（线性稳压器从此得名）。输入电压的变动或负载电流的变化引起输出电压变动时，通过反馈及控制电路，改变VDO的大小，使输出电压VOUT基本不变。

普通线性稳压器和LD0的工作原理是一致的，不同的是，二者采用的调整管结构不同，从而使LD0比普通线性稳压器压差更小，功耗更低。

有些液晶显示器中使用的线性稳压器i设有输出控制端，也就是说，这种稳压器输出电压受控制端的控制。图2所示是可控稳压器的内部框图。

EN（有时也用符号SHDN表示）为输出控制端，一般由微处理器加低电平（或高电平）使LDO关闭（或工作），在关闭电源状态时，电流约为1μA。

（2）线性稳压器的特点

线性稳压器具有成本低、封装小、外围器件少和噪声小的特点。线性稳压器的封装类型很多，非常适合在液晶显示器中使用。对于固定电压输出的场合，外围只需2～3个很小的电容即可构成整个电路。

超低的输出电压噪声是线性稳压器最大的优势。输出电压的纹波不到35μV（RMS），又有极高的信噪抑制比，非常适合用做对噪声敏感的小信号处理电路供电。同时，由于没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰（EMI），所以便于设计。

但线性稳压器的缺点是效率不高，且只能用于降压的场合。线性稳压器的效率取决于输出电压与输入电压之比η＝Vo：Vio例如，对于普通线性稳压器，在输入电压为5V的情况下，输出电压为2.5V时，效率只有50％，也就是约有50％的电能被转化成热量流失掉了，这也是普通线性稳压器工作时易发热的主要原因：对于LDO，由于是低压差，因此效率要高得多。例如，在输入电压为3.3V的情况下，输出电压为2.5V时，效率可达76％。所以，在液晶显示器中，为了提高电能的利用率，较少采用普通线性稳压器，而多采用LDO。

线性稳压电源优缺点

每种线性稳压器都有各自的优缺点，最终得由设计师根据压差、接地电流和稳定性补偿方法等要求，确定某种类型稳压器是否适合设备使用。

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定了后就可确定稳压器适用的设备类型。目前使用的五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件(pass element)和独特性能，分别适合不同的设备使用。

标准NPN稳压器的优点是具有约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流，即使没有输出电容也相当稳定。这种稳压器比较适合电压差较高的设备使用，但较高的压差使得这种稳压器不适合许多嵌入式设备使用。

对于嵌入式应用而言，NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择，因为它的压差小，而且非常容易使用。不过这种稳压器仍不适合具有很低压差要求的电池供电设备使用，因为它的压差不够低。它的高增益NPN旁路管可使接地电流稳定在几个毫安，而且它的公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

PNP旁路晶体管是一种低压差稳压器，其中的旁路元件就是PNP晶体管。它的输入输出压差一般在0.3到0.7V之间。因为压差低，因此这种PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备使用。不过它的大接地电流会缩短电池的寿命。另外，PNP晶体管增益较低，会形成数毫安的不稳定接地电流。由于采用公共发射极结构，因此它的输出阻抗比较高，这意味着需要外接特定范围容量和等效串联电阻(ESR)的电容才能够稳定工作。

由于P沟道FET稳压器具有较低的压差和接地电流，因此目前被广泛用于许多电池供电的设备。该类型稳压器将P沟道FET用作它的旁路元件。这种稳压器的电压差可以很低，因为很容易通过调整FET尺寸将漏-源阻抗调整到较低值。另一个有用的特性是低的接地电流，因为P沟道FET的“栅极电流”很低。然而，由于P沟道FET具有相对大的栅极电容，因此它需要外接具有特定范围容量与ESR的电容才能稳定工作。

N沟道FET稳压器非常适合那些要求低压差、低接地电流和高负载电流的设备使用。用于旁路管采用的是N沟道FET，因此这种稳压器的压差和接地电流都很低。虽然它也需要外接电容才能稳定工作，但电容值不用很大，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，因此电路相对复杂一些。幸运的是，相同负载电流下N沟道FET尺寸最多时可比P沟道FET小50%。