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【龙腾原创】线性稳压电源跟我一起掌握

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陌路绝途
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LV4
初级工程师
  • 2014-8-29 00:00:56
1、线性稳压器的优劣势分析
  线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装,具有出色的性能,并且提供热过载保护、安全限流等增值特性,关断模式还能大幅降低功耗。
  长期以来,线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪60年代后成为主流之前,线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天,线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。
  1.线性稳压器的优势分析
  除了简单易用之外,线性稳压器还拥有其他的性能优势。电源管理供应商开发了许多集成型线性稳压器。典型的集成线性稳压器只需要VIN、VOUT、FB和任选的GND引脚。图4示出了一款典型的3引脚线性稳压器LT1083,它是凌力尔特公司在20多年前开发的。该器件仅需一个输入电容器、输出电容器和两个反馈电阻器以设定输出电压。几乎所有的电气工程师都可以运用这些简单的线性稳压器来设计电源。














集成型线性稳压器实例:只有3个引脚的7.5A线性稳压器
2. 线性稳压器的缺点分析
  线性稳压器会消耗大量的功率。采用线性稳压器的一个主要缺点是其运行于线性模式之串联晶体管Q1会有过大功率耗散。如前文所述,线性稳压器从概念上讲是一个可变电阻器。由于所有的负载电流都必须经过串联电阻器,故其功率耗散为PLOSS=(VIN-VO)IO.在该场合中,线性稳压器的效率可由下式快速估算:
  

  于是在图1所示的例子中,当输入为12V且输出为3.3V时,线性稳压器的效率仅为27.5%.在此场合中,82.5%的输入功率完全浪费掉了,并在稳压器中产生了热量。这意味着晶体管必须具备在最坏情况下(最大VIN和满负载)处理其功率/热耗散的热能力。因此,线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大,特别是在VO远远低于VIN的时候。如图5所示,线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比成比例。

线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比的关系。
另一方面,线性稳压器可以在VO接近VIN的情况下具有非常高的效率,然而,线性稳压器(LR)存在另一个局限性,即VIN和VO之间的最小电压差。LR中的晶体管必须在其线性模式中运作。于是,其在双极型晶体管的集电极至发射极两端或FET的漏极至源极两端需要一个确定的最小电压降。当VO过于接近VIN时,LR也许不再能够调节输出电压。那些能够在低裕量(VIN-VO)条件下工作的线性稳压器被称为低压差稳压器(LDO)。
  另外,还有一个明显之处就是线性稳压器或LDO只能提供降压DC/DC转换。在那些要求VO电压高于VIN电压,或者需要从一个正VIN电压产生负VO电压的应用中,线性稳压器显然是不起作用。
2. 线性稳压器的应用
  线性稳压器的主要应用体现在以下几个方面:
  1. 简单/低成本的解决方案。线性稳压器和LDO简单易用,特别适合于那些具有低输出电流、热应力不很关键的低功率应用。无需外部功率电感器。
  2. 低噪声/低纹波应用。对于那些对噪声敏感的应用(例如:通信和无线电设备)而言,最大限度地抑制电源噪声是非常关键的。线性稳压器具有非常低的输出电压纹波(因为没有频繁接通和关断的组件),而且线性稳压器还可以拥有非常高的带宽。所以,几乎不存在EMI问题。有些特殊的LDO(比如:凌力尔特的LT1761 LDO系列)在输出端的噪声电压低至20μVRMS.这么低的噪声水平SMPS几乎是不可能实现的。即使采用ESR非常低的电容器,SMPS的输出纹波往往也将达到mV级。
  3. 快速瞬态应用。线性稳压器反馈环路一般都是内置的,因此无需外部补偿。相比于SMPS,线性稳压器通常具有较宽的控制环路带宽和较快的瞬态响应。
  4. 低压差应用。对于那些输出电压接近输入电压的应用来说,LDO可能比SMPS更有效。有非常低压差LDO(VLDO),例如:凌力尔特的LTC1844、LT3020和LTC3025,这些器件可提供20mV至90mV的压差电压和高达150mA的电流。最小输入电压可低至0.9V.由于LR中没有AC开关损耗,因此LR或LDO的轻负载效率与其满负载效率很相近。SMPS常常因其AC开关损耗的缘故而具有较低的轻负载效率。在轻负载效率同样十分关键的电池供电型应用中,LDO可提供一种优于SMPS的解决方案。
3.常用线性稳压器的技术分析
  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%.
gaon
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  • 2014-8-30 14:46:15
 
效率太低是很致命的。特别是现今这个电池的时代
windh
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LV8
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  • 2014-8-31 00:24:56
 
其实都是虾车蛋。


效率高了那么其他问题也就产生了。


对于一个实际的复杂的设计者都无法考虑到的电路,作为其稳压电源,不是设计指标能解决问题的。


稳压电源本身就是个反馈,而其负载依然是个反馈,如果是运放,其带宽基本都回大于电源的,这种情况下,稳压电源及其负载已经变成了一个至少是串极控制,稳定性几乎无法保证。


于是人们众所周知的常识,恐怕对于中国人来说,还是日本书的说明,它们才能意识到运放需要局部电容,例如10uF的电解电容+0.1uF的MLCC。




那么现在问题就出现了。


如果有100个运放,那么就需要100*10uF的局部电解电容,这是1000uF的容量,此时稳压电压还能稳定吗?


能稳定是最好的情况。


然而在这种情形下,稳压电源的带宽极度降低,几乎仅仅相当于一个稳压管的效果,更有甚者,你需要再次增大输出电容,才能维持稳定。


此时电源已经变成了一个电容,对于负载扰动,几乎都是电容的作用。


比稳压管加电容效果强不了多少。


所以你需要认识到的就是,一个实际的稳压电源是在,带宽很大,并且稳定的很接近理想稳压电源,与一个大电容之间。


如果没有那么多电容,那么稳压电源,自己,可以成为一个几乎理想的电容,但考虑到负载的复杂性,实际的稳压电源,其实是介于理想电源和一个电容之间。




任何稳压电源电路,都必须明确其最大电容负载的容量,凡是不提供此参数的,必定都是糊弄人的电源。




然而值得庆幸的是,在此论坛,业已出现过标注电容容量的稳压电源的存在。


也是一件可喜可贺的事情。


道理就是如此简单,但99.9999% 的国人都不可能懂。


国外大公司即使懂,也不会告诉你们的。


信不信由你!


谢谢大家!
dreamcat
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LV3
助理工程师
  • 2014-9-6 14:19:25
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“一个实际的稳压电源是在,带宽很大,并且稳定的很接近理想稳压电源,与一个大电容之间。”
说的很对。。。


只是有些数字搞得有些极端了。。这个比方或者例子用的不好。
如果是100个运放,累加起来1000uF的容量先不说,单从供电上考虑,没人会只用一个稳压电路运放供电吧?
荨麻草
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版主
  • 2014-9-9 23:35:37
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稳压电源及其负载已经变成了一个至少是串极控制


串级控制(cascade control)的概念,放在这里理解,似乎不大妥当呀


“稳定性几乎无法保证”



即便是两个电源串联(serial),通过合适的补偿,是可以保证稳定性的
windh
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LV8
副总工程师
  • 2014-9-10 20:41:47
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年轻人。


运放是个反馈调节带宽比稳压电源还大。


那么对于运放的负载扰动。


运放调节速度很快可能震荡。


那么这个震荡对于电源来说也是个需要调节的震荡。


2个反馈电路都要调节一个震荡的结果就是严重震荡。


虽然不是100%一定如此但相当一部分情况下都是如此。


这就是运放需要局部电容的原因。


通常10uF+0.01uF。


这不是计算结果而是实测的大部分不震荡的参数。


问题是很多的。


而稳压电源的设计者未必都能意识到。


到最后几乎都是用户凑试而得到一个稳定的电源。


而这几乎都是加大输出电解电容的容量。


从而使这个稳压电源越来越像个电容。
xkw1cn
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版主
最新回复
  • 2014-9-10 20:51:12
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最稳定的,实际是并联稳压器。只是效率低,只在高端音响里或基准里有见。
surface
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高级工程师
  • 2014-9-5 17:25:09
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效率是大家一直以来所想提高的,只是很多时候他们没有成功的做到
surface
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LV6
高级工程师
  • 2014-9-5 21:12:04
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windh
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  • 2014-9-5 21:20:39
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LDO仅仅是可以降低调整管的压降而已。


但是你不可能用最小压降。


因为你的输入电压是非稳压的。


除非你知道最小输入电压但这几乎不可能。


LDO不过就是一种可以压降小的稳压电源罢了。


但效果不如NPN的那种。


例如PSRR就比较低。


而且越是压降小的越是波纹大。


所谓的效率提高其实其他问题也就随之而来了。


没有什么太好的方法。


稳压电源本身就有点问题。


因为输入电压是变化的而你要实现一个稳定的输出电压。


貌似合理其实不太合理除非输入电压虽然变化大但电压高那么输出的稳压电源才有意义。


但这又是效率不高。


所以我们其实需要的是虽然输入电压变化但输出电压变化很小的类似稳压的电源为好。


稳压电源会带来高频干扰问题。


而随输入电压变化而输出变化很小的类稳压电源其实才是最为理想的。


你不应该搞一刀切。


稳压电源就是在一刀切定义一个买断年龄。


每个中国人都知道这是不合理的。


所以稳压电源本身也不合理。


那么很多电路都需要稳定电压。


这貌似是事实但其实不是事实。


所有电路都不需要稳压电源而是需要一个不超过某电压范围的电压 。


无论运放还是数字电路都不需要稳定的电压。


而是低于某个最大电压即可。


稳压则必定会造成能源的浪费。


但也不是低压差就能解决的。


一个大致稳定的电压即可。


无从从EMI还是实际电路工作效果来说。


都是非稳压的为好。


除非作为电压基准来使用的其他稳压所谓的其实能保证一定范围就像稳压管类即可。


但稳压管也肯定是造成能源浪费的。


只要稳压则必然能源浪费。


虽然这说的是线性电源但对于开关电源却不太适用。


开关电源为一种高频整流滤波方式。


例如反激通过变压器转化整流滤波效果很不错而且没有能源浪费。


这才是开关电源的唯一优点而且必定是最初设计者们的唯一目标。


开关电源也可以稳压虽然效果一般不好。


理想看来开关电源后面介入LDO是个很好的方案。


解决的LDO本身能源浪费的问题而且LDO的输入电压作为开关电源的输出电压可以基本固定从而LDO可以真正的发挥作用并且效率可以提高因为输入电压是基本固定的而不是线性电源输入的不固定而需要提高LDO 压降。



xkw1cn
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  • 2014-9-5 21:53:06
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明白人啊!
surface
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高级工程师
  • 2014-9-5 17:23:34
 
通过楼主的详细分析和介绍,线性稳压电源的优点和缺点,线性稳压器的运用和应用场景,以及目前的最新的比较常用的线性稳压器,帮助了我很好的了解了
surface
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高级工程师
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dreamcat
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批评下,写得过于泛泛而谈了。。
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