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电源拓扑 - 线性稳压

线性稳压器的功能是将一个稳定的或者不稳定的输入源电压转换为一个稳定的输出电压。正常工作时，即使输入端的电压出现巨大的波动，输出端的电压仍可以保持稳定。

线性稳压器的原理

大多数的线性稳压器是用闭环控制的。为了得到想要的输出电压值，我们可以通过调整 R1/R2 的比值，使在放大器反相输入端的电压等于放大器正相输入端的参考电压 \(V_{ref}\)。误差放大反馈回路的作用是使两个输入端之间的电压差保持为 0。

其原理是，如果负载减小 / 输入电压增大，则输出端的电压将变大，放大器反相输入端的电压将高于正相输入端的电压 \(V_{ref}\)，误差放大器输出端的电压为负值，传导晶体管的基极的电压变小，最终晶体管的输出电压也将变小。反之，如果负载增大 / 输入电压减小，放大器反相输入端的电压将下降，小于正相输入端的电压 \(V_{ref}\)，传导晶体管的基极电压变大，导致输出电压变大，以补偿原本应该下降的输出端电压。反馈回路可以同时调整由输入电压变化（线路调整 Line regulation）和负载变化（负载调整 Load regulation）所引起的电压变化。

线性稳压器的效率

线性稳压器的效率，指的是输出端的功率 \(P_{out}\) 与输入端的功率 \(P_{in}\) 之比：

\[ η = \frac{P_{out}}{P_{in}} \]

其中，

\[ P_{out}=V_{out}*I_{out}, \]
\[ P_{in}=V_{in}*I_{in}, \]
\[ I_{in}=I_{out}+I_{q} \]

\(I_{q}\) 是无负载下的静态电流。

低压差线性稳压器 - LDO

普通线性稳压器中，使用双极性晶体管作为电流放大器。因构成达灵顿电路，所以存在一定的压差。

如果用 P 沟道场效应晶体管代替双极性晶体管，就得到了所谓的低压差线性稳压器（Low Drop Output, LDO），它的必要压差只有几百毫伏。

因为场效应管的必要压差仅仅取决于它的正向导通电压（相当于 \(R_{ds}*I_{load}\)）。通常电阻 \(R_{ds}\) 非常小，所以必要压差也就非常低。

优缺点及应用

优点

  • 电路简单、便宜
  • 输出端噪声低
  • 对噪声的隔离度高
  • 快速的瞬态响应

缺点

  • 需要一定的压差才能起稳压作用，因此只能做降压用。
  • 在压差比较大的情况下，转换效率比较低，损耗都以发热的方式消耗掉，并影响板卡的稳定性、可靠性。
  • 功率至上，即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。
  • 在压差不够的情况下，会出现比较大的纹波。

应用

  • 对供电电源的噪声要求严格的模拟电路、时钟产生电路等。
  • 小电流、电源转换效率影响不大的数字电路供电场景。

参考与致谢

原文地址：https://wiki-power.com/
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