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線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或 FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓,產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)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(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為 PNP.這種晶體管允許飽和,所以穩(wěn)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(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

線性穩(wěn)壓器的基本電路如圖所示,該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT、取樣的ESR的需求構(gòu)成了外部極。兩個主導(dǎo)極點治療會影響設(shè)備的性能,并會構(gòu)成閉環(huán)重大影響的穩(wěn)定性。

線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點是具有最低的成本,最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少,通常只有一兩個旁路電容。新型線性穩(wěn)壓器可達到以下指標(biāo):30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態(tài)電流及100mV的壓差。線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P溝道場效應(yīng)管,而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP晶體管。P溝道的場效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動,所以大大降低了器件本身的電流;另一方面,在采用PNP管的結(jié)構(gòu)中,為了防止PNP晶體管進入飽和狀態(tài)降低輸出能力,必須保證較大的輸入輸出壓差;而P溝道場效應(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積,極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時,線性穩(wěn)壓器是最好的選擇,可達到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V 電壓的應(yīng)用中大多選用線性穩(wěn)壓器,盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用,但是線性穩(wěn)壓器仍然能夠在低噪聲結(jié)構(gòu)中提供較長的電池壽命。

低壓差交流穩(wěn)壓器[2] 是一種輸入電壓大于輸出電壓的直流交流穩(wěn)壓器。它具有輸出電壓穩(wěn)定,低輸出紋波,低噪聲的特點。LDO還具有封裝體積小,外接元件少的特點。由于它的這些優(yōu)點,LDO被廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備、汽車電子產(chǎn)品、工業(yè)和醫(yī)療儀器設(shè)備。當(dāng)前隨著大量的便攜式電子設(shè)備的發(fā)展,比如PDA、移動電話、MP3等被廣泛應(yīng)用于人們的生活工作中。這些便攜式電子設(shè)備體積小巧,且大多使用電池供電,LDO也很適合成為這類電子系統(tǒng)的供電方案.

由于LDO的輸入電壓和輸出電壓之間存在一個壓差,當(dāng)輸出一定的負(fù)載電流時,會在LDO上消耗Power=UI的功率。這會影響LDO的效率,如果這個功率很大,還會導(dǎo)致LDO上的功率傳輸管發(fā)熱,需要使用體積龐大的散熱片,這樣不利于LDO應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備中。如果能盡量減小這個壓差,這樣LDO不但能起到穩(wěn)壓的作用,還能有較高的效率,在輸出較大負(fù)載電流時也不會發(fā)熱。

當(dāng)前無線通訊設(shè)備在我們的工作生活中發(fā)揮著越來越重要的重要,比如手機、無線上網(wǎng)本、藍(lán)牙(Blue tooth)等。這些無線設(shè)備的體積小巧,且作為手持式移動設(shè)備一般采用電池來供電,這樣小體積且外接元件少的LDO是它們合適的供電方案。

但無線通訊設(shè)備的射頻發(fā)送器的開關(guān)動作會產(chǎn)生嚴(yán)重影響電源質(zhì)量的噪聲,比如手機的射頻功放的開關(guān)頻率為217Hz。射頻功放在每次開關(guān)時都會從電源吸取很大的電流(典型情況下高達1.7A),使得在電池的等效串聯(lián)電阻(ESR)上將產(chǎn)生高達500毫伏的突發(fā)壓降。對于嵌入了高分辨率音頻轉(zhuǎn)換器和音頻放大器的SoC來說,這種變化將危害SoC的總體性能,特別是音頻模塊的音頻處理質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響,聽得到嗡嗡的噪聲。這種噪聲的特點是可聽得見,因為它不是隨機的噪聲。事實上,幅度低至10mV的噪聲如果以一個固定速率發(fā)生就可以被人耳聽見。這種噪聲比更大幅度的隨機噪聲更讓人不能接受。

所謂的抗短路能力要求,是指在相關(guān)材料的短路條件下,穩(wěn)壓器不損壞。穩(wěn)壓器的抗短路能力包括承受短路的耐熱能力和承受短路的動穩(wěn)定能力兩個方面。

壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類型。五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(passelement和獨特性能,電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(passelement確定。分別適合不同的設(shè)備使用。

即使沒有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定,它比較適合電壓差較高的設(shè)備使用,規(guī)范NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流。但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。

NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇,對于嵌入式應(yīng)用而言,因為它壓差小,容易使用。不過這種穩(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)備使用,因為它壓差不夠低。高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個毫安,而且它公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓,產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下100mV之內(nèi)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(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為PNP。這種晶體管允許飽和,所以穩(wěn)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(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為2V左右。負(fù)輸出LDO使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。更新的發(fā)展使用CMOS功率晶體管,它能夠提供最低的壓降電壓。使用CMOS,通過穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的ON電阻造成的。如果負(fù)載較小,這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。

電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(pass element)確定,電壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類型。五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(pass element)和獨特性能,分別適合不同的設(shè)備使用。

常用線性穩(wěn)壓器的技術(shù)分析[3]

標(biāo)準(zhǔn)NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流,即使沒有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓器比較適合電壓差較高的設(shè)備使用,但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。

對于嵌入式應(yīng)用而言,NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇,因為它的壓差小,而且非常容易使用。不過這種穩(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)備使用,因為它的壓差不夠低。它的高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個毫安,而且它的公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。

PNP 旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)壓器,其中的旁路元件就是PNP晶體管。它的輸入輸出壓差一般在0.3到0.7V之間。因為壓差低,因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設(shè)備使用。不過它的大接地電流會縮短電池的壽命。另外,PNP晶體管增益較低,會形成數(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。由于采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu),因此它的輸出阻抗比較高,這意味著需要外接特定范圍容量和等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容才能夠穩(wěn)定工作。

由于P溝道FET穩(wěn)壓器具有較低的壓差和接地電流,因此被廣泛用于許多電池供電的設(shè)備。該類型穩(wěn)壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩(wěn)壓器的電壓差可以很低,因為很容易通過調(diào)整FET尺寸將漏-源阻抗調(diào)整到較低值。另一個有用的特性是低的接地電流,因為P溝道FET的"柵極電流"很低。然而,由于 P溝道FET具有相對大的柵極電容,因此它需要外接具有特定范圍容量與ESR的電容才能穩(wěn)定工作。

N溝道FET穩(wěn)壓器非常適合那些要求低壓差、低接地電流和高負(fù)載電流的設(shè)備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET,因此這種穩(wěn)壓器的壓差和接地電流都很低。雖然它也需要外接電容才能穩(wěn)定工作,但電容值不用很大,ESR也不重要。N溝道FET穩(wěn)壓器需要充電泵來建立柵極偏置電壓,因此電路相對復(fù)雜一些。幸運的是,相同負(fù)載電流下N溝道FET尺寸最多時可比P溝道FET小50%。

1、經(jīng)常觀察穩(wěn)壓器的冷卻風(fēng)扇和傳動機構(gòu)是否運行正常,查看輸入電壓和負(fù)載是否超過額定范圍,發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時處理。

2、每一個月對穩(wěn)壓器進行一次維護:

仔細(xì)清掃各部件,特別是碳刷,接觸線圈的裸露部分,去除污垢;

檢查穩(wěn)壓器內(nèi)部各部件和線頭是否有松動現(xiàn)象,對于有連接不牢或接觸不良的,應(yīng)及時處理;

及時更換磨損或損壞的碳刷,發(fā)現(xiàn)有故障或損壞的元件及時維修或更換。