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作者：Marcus Zimnik，区域部门应用经理
线性稳压器是电子产业中最长期且最广泛被应用的集成电路之一，自从多年前问世以来，已经历多次重大的效能提升。本文说明多种线性稳压器架构的基本运作原则，并择要说明其中最重要的参数，最后归结针对特定规格选用适当线性稳压器的要点。
基本线性稳压器运作
线性稳压器电路包含四个功能区块，分别是参考电压、导通组件(pass element)、取样电阻及误差放大器，如图 1 所示。
图 1：线性稳压器基本组成组件
导通组件是由 芯片 的误差放大器所控制，误差放大器会监视反馈的状况，并且与内部固定的参考电压进行比较，然后会开启或限制导通组件，以便当输入电压产生变动时仍能维持恒定的输出电压，以及提供负载所需的输出电流。大多数的线性稳压器也具有用来保护稳压器的过电流及高温保护电路。
重要定义：最小电压差及静态电流
最小电压差(Dropout Voltage)
稳压器若要正常的工作，输入端和输出端的电压差就必须超过某个最小值，这个值就称为「最小电压差」，请见图2的图解说明。
图 2：最小电压差
最小电压差小于 1V 的线性稳压器通常被归类为低压降线性稳压器 (LDO)，而最小电压差大于 1V 的线性稳压器则被归类为标准线性稳压器。如果输入电压接近输出电压，而且需将功耗降至最低，此时就需要使用 LDO。
静态电流
静态电流也称为接地电流，这是指输入电流与输出电流之间的差异。若要发挥最大效率，需要低静态电流。静态电流包含偏移电流 (例如带隙基准源(band-gap reference)、取样电阻及误差放大器电流) 及串行导通组件的闸极/基极(gate/base)驱动电流，后者不会产生输出功率。静态电流值大部分是由串行导通组件和稳压器拓朴所决定。
线性电压稳压器的分类
线性电压稳压器是按照导通组件技术进行分类，包括：NPN-Darlington、NPN、PNP、PMOS 及 NMOS 稳压器。表 1 显示不同的类型以及一般最小电压差与静态电流特性。
| 导通组件技术 |
最小电压差 VDO |
静态电流 Iq |
说明 |
NPN-Darlington |
VCE(sat) + 2VBE = 1.6…2.5V |
Iq = Ibias = (Ia + Ir + Is) |
这是最旧式的线性稳压器技术。这需要最低输出电流来进行调节。此一电流是导通组件的基极电流。范例装置：TL317。 |
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NPN |
VCE(sat) + VBE ~0.9V |
Iq = Ibias = (Ia + Ir + Is) |
NPN 晶体管透过 PNP 晶体管从输入电轨接收驱动电流。基极驱动电路将它的发射极电流并入输出电流，因此 NPN 稳压器的静态电流不大。这项技术也需要最低输出电流来进行调节。范例装置：TLV1117 |
PNP |
VCE(sat) = 0.15…0.4 V |
Iq = Idrv + Ibias ~ 0.8 … 2.6 mA
Idrv：PNP 的基极驱动电流 |
基极驱动电流流向地面。这个接地电流的值与导通组件晶体管的增益有直接关系，因此，PNP 稳压器的静态电流高于 NPN 稳压器。范例装置：TL5209 |
PMOS |
Io*Ron ~ 35...350 mV
Ron：传输组件的导通电阻。
Io：输出电流。a |
MOSFET 导通组件是电压控制装置，不过与双极晶体管不同，在输出电流增加时不需要增加驱动电流，因此可获取相当低的静态电流 (低于 1mA)。a |
PMOS 导通组件的驱动相当简单，但是需要最低输入电压，以确实提升信道的效能。范例装置：TPS75901 |
NMOS |
NMOS 线性稳压器需要电荷泵或大于 Vin 的驱动电压，才能提升 NMOS 的效能。范例装置：TPS73201 |
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PNP 双极体晶体管一般被运用于低压降的应用，主要是因为这类晶体管很容易就能够达到低压降，然而，它会产生高静态电流，而且效率不高，因此不适用于以发挥最高效率为首要考虑的应用。PMOS 装置经过大量心力的开发，目前的效能已超越大多数的双极体装置。NMOS 导通组件的最大优势是它的电阻不高，不过，闸极驱动的困难却使得这类导通组件在应用中显得并不理想。NMOS LDO （如TPS74901）能够在 3A 输出电流的情况下达到 120mV 最小电压差。
与 PMOS 拓朴装置不同的是，输出电容器对于回路稳定性的影响不大。不论是搭配多颗电容器或甚至不搭配电容器，德州仪器推出的多款 NMOS LDO 都能稳定的运作。NMOS的瞬时响应也优于 PMOS 拓朴，对于低输入电压的应用更是如此。
高效能线性电压稳压器的特殊功能
最简易的电压稳压器只需要 Vin、Vout 及 GND 等三个终端，在线性稳压器的演进中，下一步则需要加入 ENABLE 接脚，以便稳压器能够开关。
数字应用的稳定性需求使得稳压器必须整合电源电压监控（supply voltage supervisor, SVS） 的功能，这些功能能够将 RESET 或 POWER GOOD 输出提供给处理器。内部比较器会监视稳压器输出电压，并且使数字系统在出现欠压状况时启动重设（RESET）。输出达到稳压状态时，会在经过一段时间后 (通常是 20 到 200ms) 停止重设。当输出电压低于要求输出电压的迟滞窗（hysteresis window）时，便会再度进行重设。
POWER GOOD 指出 Vout 的状态，而且通常用于启用其它电源以进行定序。当 Vout 超出 POWER GOOD 跳变阈值（trip threshold） (通常是设定点电压的 97%) 时，POWER GOOD 接脚会进入高阻抗状态，否则 POWER GOOD 会降低。
PLL 和 RF 电路的电源需要是低噪声的电源，才能发挥最高效能。过滤 LDO 的参考电压能够有效获得低噪声电源，支持此功能的 LDO 具有旁通接脚，能够在误差放大器的参考输出及输入之间连接一个滤波电容器。TPS79101 是这类 LDO 中很好的例子，它在 100Hz 至 100kHz 频率范围内只会产生 15μVRMS 的噪声。
FPGA 及处理器这类复杂的数字装置有时会在启动时出现高流入电流（inrush current），当供电电压以缓慢上升的方式启动时，流入电流会降低。要做到这点，TPS74401这类的 LDO 必须具有整合的软启动（soft start）功能，才能让使用者设定启动时电压上升的速度。
复杂数字系统需要的另一项功能是电压追踪，许多处理器在CORE和I/O电源接脚之间的静电放电(ESD)架构往往有很大的压力，这项功能有助于降低这个压力。追踪功能使 LDO 输出电压能够追踪外部的电源。详细信息请见图 3。
图 3：针对 TPS74301 进行的电压追踪
选用正确的线性稳压器
选用线性稳压器时，必须先考虑需要的输入电压范围、输出电压及电流。如果允许输入电压接近输出电压，务必确定最低的最小电压差不会限制需要的输入电压范围。另外，输出电压的准确性与应用所需的准确性相符也是很重要的。然后确认是否需要低噪声或特殊输出电容器 (若有必要) 等特定特性，最后，考虑 ENABLE、POWER GOOD 或定序等其它功能。考虑以上各点可将适用的线性稳压器范围缩小于特定的需求。
此外，选用线性稳压器时，也必须考虑通常会忽略的特定应用散热问题。大多数 LDO 稳压器都会指定接合温度上限，以确保运作正常。此一上限限制了稳压器能够在任何特定应用中处理的功耗。首先计算实际功耗 PD，以等式表示 (不考虑静态电流) 即为：
其次计算允许功耗上限 PD(max)，此一上限是以下列等式决定：
其中
为确保接合温度上限不超过可接受的限制范围，PD 必须小于或等于 PD(max)。
功耗产生的热量是由线性稳压器的封装及外部散热器散出。影响散热能力的因素包括 PCB 设计、放置组件的位置、与电路板其它组件的互动情况、空气流通状况及海拔高度。如需线性稳压器设计的散热考虑详细信息，请参阅德州仪器应用说明事项 SLVA118《数字设计人员的线性电压稳压器及散热管理指南》。
Literature
1. “Understanding the Terms and Definitions of Low-Dropout Voltage Regulators,” Application Report, October 1999, Texas Instruments, https://www.ti.com/litv/pdf/slva079.
2. “Technical Review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and Performance,” Application Report, August 1999, Texas Instruments: https://www.ti.com/litv/pdf/slva072.
3. “Digital Designer’s Guide to Linear Voltage Regulators and Thermal Management,” Application Report, April 2003, Texas Instruments: https://www.ti.com/litv/pdf/slva118.
4. “1.5A Ultra-LDO with Programmable Sequencing,” TPS74301 Datasheet, May 2008, Texas Instruments: https://www.ti.com/lit/gpn/tps74301.
关于作者
Marcus Zimnik 为中欧及东欧地区高效能模拟应用部门模拟电路应用经理。Marcus 曾于德国纽伦堡 University of Erlangen 攻读通讯电子，并获得德国里根斯堡 Fachhochschule 的电子工程硕士学位，此后在德国弗赖辛担任德州仪器电源管理产品部门应用工程师。过去三年 Marcus 一直担任中欧及东欧地区应用团队的领导职务。Marcus 在工作之余喜好登山运动或骑乘机车出游。
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