不要忽視用于高效電壓調(diào)節(jié)的 LDO

登山者有多種方式可以到達(dá)斯諾登峰，斯諾登峰海拔 1,085 米，是威爾士的最高點，從峰頂可以看到五個國家、24 個縣、29 個湖泊和 17 個島嶼。耐寒的人可以選擇幾條步行路徑到達(dá)山頂，其中最簡單但也是最長的是 7 公里的 Llanberis Path。作為一年一度的斯諾登競賽的一部分，更頑強(qiáng)的人仍然可以穿越 Llanberis Path。（如果你希望贏得比賽，你需要發(fā)布少于 40 分鐘的時間。）不出所料，大多數(shù)一日游者都會前往斯諾登山鐵路，這是一條 7.6 公里、單軌、800 毫米軌距的鐵路，與它并排行駛蘭貝里斯路徑。

在平均坡度為 12.7% 且路段坡度高達(dá) 18.2% 的情況下運行列車是一項艱巨的機(jī)械工程挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動輪和軌道之間缺乏附著力，傳統(tǒng)火車難以應(yīng)對超過 2% 的坡度。一種流行的解決方案是通過曲折上山來限制軌道坡度。缺點是土木工程成本急劇增加，乘客的旅程也更長。

由于在英國沒有建造如此陡峭的鐵路的先例，威爾士的工程師們求助于瑞士人，他們是世界上火車上山的專家。瑞士的解決方案既巧妙又簡單；通過將齒輪連接到驅(qū)動軸上，驅(qū)動軸與運行軌道之間的齒條軌道嚙合，將火車?yán)闲逼隆＿@種齒條和小齒輪的布置確保了無論坡度有多大，從動輪都不會打滑。這是一種廉價、有效且維護(hù)成本低的解決方案，自首次安裝以來 120 多年仍運行良好。

小心取舍

電子工程師面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與斯諾登鐵路建設(shè)者所克服的技術(shù)挑戰(zhàn)一樣嚴(yán)峻。并且誘惑是尋找最新的技術(shù)來尋找答案。一個這樣的例子是為物聯(lián)網(wǎng)傳感器或可穿戴設(shè)備等電池供電設(shè)備構(gòu)建電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員的主要考慮因素是選擇可延長電池壽命的電源轉(zhuǎn)換器，這樣維護(hù)技術(shù)人員就不必過于頻繁地更換傳感器電池，或者消費者不會因頻繁的智能手表充電而感到不便。

設(shè)計人員需要一個電源轉(zhuǎn)換器來為產(chǎn)品的電子設(shè)備從給定的輸入電源生成所需的輸出電壓和電流。它需要在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下都這樣做。在物聯(lián)網(wǎng)傳感器或可穿戴設(shè)備中，輸入電源是電池，穩(wěn)壓器需要保持產(chǎn)品電子設(shè)備所需的恒定電壓，即使電池放電且電壓逐漸下降。

這個問題的一個明顯答案是開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器，該技術(shù)首次出現(xiàn)于 1960 年代，但今天仍在繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部晶體管“導(dǎo)通”并傳導(dǎo)電流時，其電源路徑上的壓降最小。當(dāng)晶體管“關(guān)閉”并阻斷高壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。因此，晶體管的性能就像一個理想的開關(guān)，并且在某些應(yīng)用中消耗的開關(guān)穩(wěn)壓器的功率提升效率非常低，超過 90%。

但開關(guān)穩(wěn)壓器，就像曲折的鐵軌一樣，會帶來權(quán)衡取舍。它們很復(fù)雜，需要外部反饋回路；它們占用大量空間，因為它們需要外圍元件，例如儲能電感器以及用于濾波電路的電容器和電阻器；它們是昂貴的; 晶體管開關(guān)會產(chǎn)生電噪聲，干擾敏感的下游硅。

把事情簡單化

另一種選擇是低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，該器件的歷史可以追溯到 Robert Dobkin（當(dāng)時是美國國家半導(dǎo)體公司的工程師，后來是凌力爾特公司的創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官）于 1977 年在《電子設(shè)計》雜志上發(fā)表的一篇文章。開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器之間的一個關(guān)鍵區(qū)別可以從它們各自的名稱中得出；前者在其核心采用開關(guān)晶體管，而后者則使用在其線性范圍內(nèi)工作的晶體管。

在線性穩(wěn)壓器中，晶體管作為可變電阻與輸出負(fù)載串聯(lián)工作。該穩(wěn)壓器采用集成反饋環(huán)路，使用誤差放大器通過采樣電阻網(wǎng)絡(luò)感測輸出電壓，然后將其與參考電壓進(jìn)行比較。

LDO 穩(wěn)壓器的工作方式與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相同，但在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了重要調(diào)整。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器不同，LDO 使用集電極開路或漏極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使輸入電壓到輸出電壓的最小壓降（同時仍確保正常運行）與晶體管兩端的飽和電壓一樣低，而且安全開銷很小。

由于效率在電池供電設(shè)備中的電源轉(zhuǎn)換器的屬性列表中名列前茅，因此必須注意充分利用這種“低壓差電壓”。LDO 總是會消耗一些功率以調(diào)節(jié)輸出電壓，并且由于該設(shè)備本質(zhì)上是一個可變電阻器，因此其功耗等于設(shè)備兩端的電壓差乘以其輸出電流。其效率是輸出電壓/輸入電壓之比。工程師的部分工作就是使電池輸入電壓盡可能接近所需的輸出，以充分利用功率預(yù)算。例如，對于給定的電流和 3 伏的電池輸入電壓，提供 2.5 伏的 LDO 的效率將比提供 2 伏的 LDO 高出約 16%。由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，LDO 的輸入和輸出之間的差異將低于線性穩(wěn)壓器。如果工程師仔細(xì)選擇，LDO 電源轉(zhuǎn)換器的效率可以達(dá)到 90%，接近開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，但沒有該設(shè)備的復(fù)雜性、費用和電氣噪聲挑戰(zhàn)。

LDO 不太適合大電流應(yīng)用，因為對于給定的壓降，功耗會隨著電流而上升。而且這些設(shè)備無法提升電壓。正是對于這些應(yīng)用，開關(guān)電源才真正發(fā)揮作用。但對于空間受限的電池供電產(chǎn)品，不起眼的 LDO（如齒軌鐵路）是解決具有挑戰(zhàn)性的工程問題的簡單可靠的解決方案。

Steven Keeping 在英國布萊頓大學(xué)獲得工學(xué)士（榮譽(yù)）學(xué)位，之后在 Eurotherm 和 BOC 的電子部門工作了七年。隨后，他加入了《Electronic Production》雜志，隨后在電子制造、測試和設(shè)計方面擔(dān)任了 13 年的高級編輯和出版職務(wù)，其中包括英國和澳大利亞的 Trinity Mirror、CMP 和 RBI 的《電子新動態(tài)》和《澳大利亞電子工程》。2006 年，史蒂文成為一名專攻電子領(lǐng)域的自由撰稿人。他常駐悉尼。

審核編輯黃宇