線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓,產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內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)穩壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設備)作為 PNP.這種晶體管允許飽和,所以穩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 復合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。

線性穩壓器的基本電路如圖所示,該電路由串聯調整管VT、取樣的ESR的需求構成了外部極。兩個主導極點治療會影響設備的性能,并會構成閉環重大影響的穩定性。

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

低壓差交流穩壓器[2] 是一種輸入電壓大于輸出電壓的直流交流穩壓器。它具有輸出電壓穩定,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。由于它的這些優點,LDO被廣泛應用于通訊設備、汽車電子產品、工業和醫療儀器設備。當前隨著大量的便攜式電子設備的發展,比如PDA、移動電話、MP3等被廣泛應用于人們的生活工作中。這些便攜式電子設備體積小巧,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,當輸出一定的負載電流時,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,還會導致LDO上的功率傳輸管發熱,需要使用體積龐大的散熱片,這樣不利于LDO應用在便攜式電子設備中。如果能盡量減小這個壓差,這樣LDO不但能起到穩壓的作用,還能有較高的效率,在輸出較大負載電流時也不會發熱。

當前無線通訊設備在我們的工作生活中發揮著越來越重要的重要,比如手機、無線上網本、藍牙(Blue tooth)等。這些無線設備的體積小巧,且作為手持式移動設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。

但無線通訊設備的射頻發送器的開關動作會產生嚴重影響電源質量的噪聲,比如手機的射頻功放的開關頻率為217Hz。射頻功放在每次開關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電阻(ESR)上將產生高達500毫伏的突發壓降。對于嵌入了高分辨率音頻轉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量將受到嚴重影響,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,是指在相關材料的短路條件下,穩壓器不損壞。穩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定能力兩個方面。

壓差和接地電流值定了后就可確定穩壓器適用的設備類型。五大主流線性穩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壓器的旁路元件(passelement確定。分別適合不同的設備使用。

即使沒有輸出電容也相當穩定,它比較適合電壓差較高的設備使用,規范NPN穩壓器的優點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩定接地電流。但較高的壓差使得這種穩壓器不適合許多嵌入式設備使用。

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

低壓差線性穩壓器(LDO)使用在其線性區域內運行的晶體管或FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓,產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下100mV之內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)穩壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設備)作為PNP。這種晶體管允許飽和,所以穩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 復合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為2V左右。負輸出LDO使用 NPN 作為它的傳遞設備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。更新的發展使用CMOS功率晶體管,它能夠提供最低的壓降電壓。使用CMOS,通過穩壓器的唯一電壓壓降是電源設備負載電流的ON電阻造成的。如果負載較小,這種方式產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壓器適用的設備類型。五大主流線性穩壓器每個都具有不同的旁路元件(pass element)和獨特性能,分別適合不同的設備使用。

常用線性穩壓器的技術分析[3]

標準NPN穩壓器的優點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩定接地電流,即使沒有輸出電容也相當穩定。這種穩壓器比較適合電壓差較高的設備使用,但較高的壓差使得這種穩壓器不適合許多嵌入式設備使用。

對于嵌入式應用而言,NPN旁路晶體管穩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。不過這種穩壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設備使用,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定在幾個毫安,而且它的公共發射極結構具有很低的輸出阻抗。

PNP 旁路晶體管是一種低壓差穩壓器,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旁路晶體管穩壓器非常適合電池供電的嵌入式設備使用。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,會形成數毫安的不穩定接地電流。由于采用公共發射極結構,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電阻(ESR)的電容才能夠穩定工作。

由于P溝道FET穩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備。該類型穩壓器將P溝道FET用作它的旁路元件。這種穩壓器的電壓差可以很低,因為很容易通過調整FET尺寸將漏-源阻抗調整到較低值。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的電容才能穩定工作。

N溝道FET穩壓器非常適合那些要求低壓差、低接地電流和高負載電流的設備使用。用于旁路管采用的是N溝道FET,因此這種穩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定工作,但電容值不用很大,ESR也不重要。N溝道FET穩壓器需要充電泵來建立柵極偏置電壓,因此電路相對復雜一些。幸運的是,相同負載電流下N溝道FET尺寸最多時可比P溝道FET小50%。

1、經常觀察穩壓器的冷卻風扇和傳動機構是否運行正常,查看輸入電壓和負載是否超過額定范圍,發現異常應及時處理。

2、每一個月對穩壓器進行一次維護:

仔細清掃各部件,特別是碳刷,接觸線圈的裸露部分,去除污垢;

檢查穩壓器內部各部件和線頭是否有松動現象,對于有連接不牢或接觸不良的,應及時處理;

及時更換磨損或損壞的碳刷,發現有故障或損壞的元件及時維修或更換。