低压差线性稳压器的基本原理、选用原则及应用

1、低压差线性稳压器的基本原理、选用原则及应用电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分 ,其性能的优劣直接关系到电子设 备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关 电源两大类 ,由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态 ,本身消耗的能量很 低 ,开关电源效率可达 80%90%,比普通线性稳压电源提高近一倍 ,目前已成为稳压 电源的主流产品。本文介绍一种应用低压差线性稳压器优化开关电源的设计方案 , 并对该方案的可行性通过实验加以验证。低压差线性稳压器的基本原理低压差线性稳压器的基本电路如图 1 所示,该电路由串联调整管 VT 、取样电阻 R1 和 R2、比较放大器

2、A 组成。图 1: 低压差线性稳压器基本电路取样电压加在比较器 A 的同相输入端 ,与加在反相输入端的基准电压 Uref 相比 较,两者的差值经放大器 A 放大后,控制串联调整管的压降 ,从而稳定输出电压。当输 出电压 Uout 降低时 ,基准电压与取样电压的差值增加 ,比较放大器输出的驱动电流增 加,串联调整管压降减小 ,从而使输出电压升高。相反 ,若输出电压 Uout 超过所需要 的设定值 ,比较放大器输出的前驱动电流减小 ,从而使输出电压降低。供电过程中 ,输 出电压校正连续进行 ,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限 制。应当说明的是 ,实际的线性稳压器还应当具有许多其它

3、的功能 ,比如负载短路保 护、过压关断、过热关断、反接保护等 ,而且串联调整管也可以采用 MOSFET。低压差线性稳压器的选用原则1. 输入输出电压差输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的前 提下,该电压差越低 ,线性稳压器的性能越好。比如 ,5.0V 的低压差线性稳压器 ,只要 输入 5.5V,就能使输出电压稳定在 5.0V。2. 最大输出电流用电设备的功率不同 ,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常 ,输出电流越 大的稳压器成本越高。为了降低成本 ,在多只稳压器组成的供电系统中 ,应根据各部 分所需要的电流值选择适当的稳压器。3. 负载调整率负载调整率是众多电

4、源设备一个非常重要的参数 ,它反映了电源抑制负载干扰 的能力,负载调整率越低 ,输出负载对输出电压的影响越小 ,LDO 的品质就越好。4. 接地电流接地电流 IGND 是指串联调整管输出电流为零时 ,输入电源提供的稳压器工作 电流。该电流有时也称为静态电流 ,但是采用 PNP 晶体管作串联调整元件时 ,这种习 惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差线性稳压器的接地电流很小。5. 输出电容器典型低压差线性稳压器需要增加外部输入和输出电容器。利用较低ESR 的大电容器一般可以全面提高电源抑制比 (PSRR、噪声以及瞬态性能。陶瓷电容器通常 是首选 ,因为它们价格低而且故障模式是断路 ,相比之下钽电容

5、器比较昂贵且其故障 模式是短路。输出电容器的等效串联电阻 (ESR 会影响其稳定性 ,陶瓷电容器具有较 低的 ESR,大概为 10m 量级 ,而钽电容器 ESR在 100m 量级。另外 ,许多钽电容器的 ESR 随温度变化很大 ,会对 LDO 性能产生不利影响。电容的具体应用需要咨询 LDO 厂商以确保正确实施。6. 封装选择 LDO 产品时应考虑 LDO 的散热,负载大的 LDO 应尽可能选择大封装 ,这 样有利于 LDO 性能稳定。低压差线性稳压器在开关电源中的作用1. 简化开关电源设计开关电源多路输出一般通过增加高频变压器反馈端来实现 ,这使得开关电源在 设计过程中增加了设计者的工作量。

6、应用 LDO 作为开关电源的输出终端 ,可以极大 地简化开关电源的设计 ,缩短开发周期。2. 提高开关电源的负载调整率LDO 是来稳定电源电压的专用芯片 ,目前有很多 LDO 的负载调整率非常小。 应用 LDO 可以大幅度地降低开关电源负载调整率。3. 有效滤除开关电源电磁干扰 ,减小纹波输出开关电源的突出缺点是产生较强的 EMI 。EMI 信号既具有很宽的频率范围 ,又 有一定的幅度 ,经传导和辐射会污染电磁环境 ,对通信设备和电子产品造成干扰。如 果处理不当 ,开关电源本身就会变成一个干扰源。 LDO 有较高的电源抑制比 ,且 LDO 是低噪声器件 ,因此应用 LDO 可以有效地滤除开关电

7、源 EMI, 减小纹波输出。4. 为开关电源提供过流保护尽管许多 PWM 控制芯片本身具有过流保护功能 ,但 LDO 的过流保护功能可以 提升开关电源的安全系数。试验分析面通过以下两个实验来验证该方案的可行性1.测量负载调整率实验电路如图 2所示。由电子负载依次拉出 0mA 到 400mA的电流,在每个负 载点记录下开关电源的输出电压。测试数据经过处理 ,可以得出图 4 所示的图表。 该图充分说明 , LDO 优秀的负载调整率已经被完全移植到开关电源上。换言 之 ,LDO 极大地提高了开关电源的负载调整率。图 2: 开关电源负载调整率测试电路2.输出纹波的测量分别在开关电源的 LDO 输入端和输出端接上示波器 ,可以得出图 5 所示的波 形。其中 C