線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器比較

雖然設(shè)計(jì)人員很清楚開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器能效高，但線性穩(wěn)壓器仍是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇。了解其中的原因?qū)椭O(shè)計(jì)人員做出正確選擇并妥善實(shí)現(xiàn)方案。

本文對(duì)線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行了比較，并介紹了在考慮能效的同時(shí)，如何相應(yīng)考慮簡(jiǎn)潔性、低成本、穩(wěn)定性等因素。

開關(guān)穩(wěn)壓器：高效但復(fù)雜

開關(guān)穩(wěn)壓器效率高，并且能夠輕松實(shí)現(xiàn)升壓輸出、降壓輸出和電壓逆變。目前的模塊化芯片結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，許多供應(yīng)商都有供應(yīng)。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器具有許多優(yōu)勢(shì)，但也存在不足之處（表 1）。

首先，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于復(fù)雜芯片，因此為確保新產(chǎn)品正常工作，可能需要更多的設(shè)計(jì)工作。其次，目前的開關(guān)穩(wěn)壓器集成度越高，成本也越高，并且還需增大芯片尺寸。最后，所有的高頻率開關(guān)往往會(huì)產(chǎn)生噪聲。

在高頻工作模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)在輸入和輸出濾波器上產(chǎn)生電壓和電流紋波，這是在設(shè)計(jì)中使用該器件所面臨的主要問題。而解決這些問題需要時(shí)間和設(shè)計(jì)技能。

線性穩(wěn)壓器可以解決開關(guān)穩(wěn)壓器的所有主要缺點(diǎn)。它們簡(jiǎn)單且低成本，需要較少外部元器件，并且不會(huì)因開關(guān)產(chǎn)生多余的噪聲。如表 1 所示，對(duì)于恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用選擇這些合適的線性穩(wěn)壓器才是明智之舉。

僅支持降壓工作模式

上段描述中有一關(guān)鍵詞“恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用”，那是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器存在局限性，這意味著它們可能不適合某些設(shè)計(jì)，但卻會(huì)是另一些設(shè)計(jì)的合適之選。

例如，線性穩(wěn)壓器輸出只能低于輸入電壓（“降壓”）。因?yàn)榇嬖诰窒扌?，所以需要增加額外的電池來提高基本 DC 供電電壓，才能確保電壓超過 LDO 需要的輸入電壓。每個(gè)穩(wěn)壓器需使用五個(gè)標(biāo)稱電壓為 1 至 1.5 伏的電池，每個(gè)電池需要在其整個(gè)放電周期內(nèi)確?？煽康?5 伏輸出電壓。而額外增加電池的成本很快會(huì)超出使用較少電池即可運(yùn)行的開關(guān)穩(wěn)壓器成本。此外，額外的電池還占據(jù)了寶貴的空間。

另外還有一個(gè)問題，如果產(chǎn)品中的元器件需要高于所有其他元器件的電壓，線性穩(wěn)壓器無法實(shí)現(xiàn)升壓輸出。還有類似的問題，在某些模擬電路需要負(fù)電壓的情況下，由于線性穩(wěn)壓器無法逆轉(zhuǎn)正電源，因而無法使用。

線性穩(wěn)壓器的效率不如開關(guān)器件，因此其電池的壽命不如開關(guān)穩(wěn)壓器長(zhǎng)久。更糟糕的是，如果電池仍有一些電量，但合成后的輸出電壓低于芯片需要的最低電壓，將無法使用剩余電量。

相比之下，開關(guān)器件可以切換至升壓模式，從而用盡電池的最后電量。

當(dāng)電池的直流源的初始電壓高于實(shí)際需要的軌電壓，且電池電壓隨著放電的持續(xù)降至所需軌電壓以下時(shí)，降壓升壓穩(wěn)壓器就非常實(shí)用。降壓升壓器件可以在兩種模式中完美切換，即使在電池電壓降至軌電壓之下，仍可獲得所需的輸出軌電壓值。

在一些極低功耗應(yīng)用中，以縮短電池壽命為代價(jià)來避免使用開關(guān)穩(wěn)壓器是可以接受的。例如，使用線性穩(wěn)壓器導(dǎo)致高功耗產(chǎn)品的電池壽命從 12 小時(shí)縮短至 8 小時(shí)，消費(fèi)者不太會(huì)對(duì)此感到高興；但如果價(jià)格足夠便宜，消費(fèi)者很可能會(huì)接受低功耗產(chǎn)品的電池壽命從六個(gè)月縮短至五個(gè)月。

線性穩(wěn)壓器的高能效范圍

線性穩(wěn)壓器可能無法達(dá)到開關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的整體效率，但其仍具有自身的優(yōu)勢(shì)，在輸入和輸出電壓差降低時(shí)，穩(wěn)壓器能效就會(huì)升高。當(dāng)輸入電壓剛剛高于輸出電壓值時(shí)，線性穩(wěn)壓器的能效接近 95% 至 99%。

這種特征表明在特定應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器整體效率要高于僅做簡(jiǎn)單直接比較而得出的結(jié)果。因此務(wù)必考慮產(chǎn)品工作期間內(nèi)電池的完整放電特性，并確定該段時(shí)間內(nèi)的平均效率以獲得精確數(shù)值（圖 1）。

圖 1：使用三節(jié) AA 型堿性電池（100 mW 恒定功率負(fù)載）的系統(tǒng)中線性穩(wěn)壓器能效與電池電壓之間的關(guān)系；請(qǐng)注意穩(wěn)壓器能效如何隨著電壓下降而升高。（圖片來源：Maxim Integrated）

盡管電池滿電量時(shí)能效約為 73%，但整個(gè)放電周期內(nèi)的平均能效為 85%。應(yīng)該將此數(shù)值與開關(guān)穩(wěn)壓器等效數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器電池效率不會(huì)隨著電壓下降而升高。

再看一下圖 1，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在 20 小時(shí)后，盡管電池仍有一些電量，但由于輸入和輸出電壓差太小，以至于該器件無法調(diào)節(jié)電壓，繼而停止工作。電池實(shí)際為產(chǎn)品供電的總累積電量為：

平均調(diào)節(jié)效率 × 停止供電前的電池能量使用百分比 =

85% × 80% = 68%。

選擇較低壓差特性的 IC 確保耗盡更多的電池電量，從而提高效率。

“壓差”是指調(diào)節(jié)停止前輸入和輸出電壓的差值。如圖 1 示例所示，如果線性穩(wěn)壓器更換成具有更高壓差的器件（3.4 至 3.0 伏），電池可以多使用 2.5 小時(shí)，電池能源利用率將提高至：

85% × 90% = 76.5%

仔細(xì)查看制造商提供的規(guī)格書，因?yàn)橐恍┧^的“低壓差”(LDO) 器件的輸入/輸出壓差十分大。這意味著停止工作前，電池中仍含有很多電量。請(qǐng)注意，壓差可能隨負(fù)載電流變化而變化。

LDO 選擇與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于希望在特定應(yīng)用中選擇使用 LDO 以便充分利用線性穩(wěn)壓器優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)工程師來說，很可能會(huì)在市場(chǎng)上紛繁蕪雜的選擇面前不知所措。雖然外觀簡(jiǎn)潔，但一般的 LDO 規(guī)格書除基本的規(guī)格表通常還有二十、三十甚至更多性能圖。這些圖展現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能以及在不同工作場(chǎng)景和條件下的功能。

在針對(duì)便攜式應(yīng)用的 LDO 器件中，有許多器件適合于寬輸入和輸出電壓范圍。一些具有固定輸出電壓、一些具有用戶可調(diào)節(jié)輸出電壓、一些可以提供負(fù)輸出軌。一些 LDO 較為通用并具有備用電源，而其他一些 LDO 針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉT優(yōu)化了一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。以下幾個(gè)示例展示了市面上 LDO 的多樣性。

汽車：Maxim Integrated MAX16910 是用于汽車應(yīng)用的 200 mA 超低靜態(tài)電流 LDO。除了具備基本性能，該器件還適用于要求嚴(yán)苛的汽車應(yīng)用環(huán)境。具有 +45 伏的抗瞬變輸入電壓，可以應(yīng)對(duì)“負(fù)載突降”狀況并在該狀況下工作，還可工作于（指定值）-40°C 至 +125°C 的汽車溫度范圍（圖 2）。在 +3.5 伏至 +30 伏的輸入電壓下工作，僅消耗 20 微安 (μA) 空載靜態(tài)電流，在用戶控制關(guān)斷模式下僅為 1.6 μA。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX16910 十分引人注目，因?yàn)樗腺|(zhì)保功能中嚴(yán)苛的汽車規(guī)定，并可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)正常工作。（圖片來源：Maxim Integrated）

負(fù)電壓：負(fù)電壓設(shè)計(jì)可不僅僅是反向連接轉(zhuǎn)換器，還涉及到接地參考問題以及其他拓?fù)鋯栴}。因而，需要特定的負(fù)電壓型 LDO。Analog Devices 的 ADP7183 具有負(fù)輸入/輸出電壓以及超低噪聲特性（圖 3）。

這些 IC 在 ?2.0 伏至 ?5.5 伏的輸入電壓下工作，最高提供 ?300 毫安 (mA) 的輸出電流。該器件提供 15 種 ?0.5 伏至 ?4.5 伏的固定輸出電壓選擇，或具有在 ?0.5 伏至 ?VIN + 0.5 伏范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的輸出電壓。此外，輸出噪聲在 100 Hz 至 100 kHz 時(shí)僅為 4 μVRMS，噪聲譜密度在 10 kHz 至 1 MHz 時(shí)為 20 nV/√Hz。最后，典型電源抑制比 (PSRR) 在 10 kHz 時(shí)為 75 dB；100 kHz 時(shí)為 62 dB；1 MHz 時(shí)為 40 dB。

圖 3：Analog Devices 的 ADP7183 系列實(shí)際上經(jīng)常用于負(fù)電源/負(fù)輸出應(yīng)用；這些器件可以配置為固定輸出電壓（這里指上面示意圖中的 ?3.3 伏）或用戶可調(diào)節(jié)輸出電壓（這里指下面示意圖中設(shè)置的 ?2.5 伏）。（圖片來源：Analog Devices）

固定/可變雙輸出：通常情況下，一些應(yīng)用不僅僅需要一個(gè)單通道 LDO，因此 Texas Instruments 推出具有一個(gè) 2.5 伏固定輸出電壓和一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出電壓的 LFC789D25 雙通道線性控制器?？刂破鞯妮敵隹梢则?qū)動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET，因此電流可能相對(duì)較高，達(dá) 3 A（典型值）。這種 IC 適用于 DDR1 存儲(chǔ)器電壓 (VDDQ) 和緩沖器 VREF 等應(yīng)用（圖 4）。內(nèi)部基準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償性能具有 2% 容差，足以滿足這種情況。

圖 4：Texas Instruments 的 LFC789D25 雙路線性控制器具有一個(gè)固定輸出電壓和一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出電壓，可以滿足 DDR1 和類似存儲(chǔ)器陣列等重要應(yīng)用領(lǐng)域的需求。（圖片來源：Texas Instruments）。

近乎為零的靜態(tài)電流：對(duì)于電池供電型應(yīng)用而言，珍惜使用可用的能量對(duì)于實(shí)現(xiàn)續(xù)航時(shí)間目標(biāo)至關(guān)重要，Richtek RT9069 系列具有 2 μA 的超低靜態(tài)電流 (Iq)。使能引腳可以讓這些 IC 處于深度休眠狀態(tài)，此時(shí)的靜態(tài)電流為零。

這些 LDO 在 3.5 伏至 36 伏的寬輸入電壓范圍下工作提供高達(dá) 200 mA 的電流。它們提供 2.5、3.3、5、9 或 12 伏固定輸出電壓。這些 LDO 在整個(gè)輸入電壓范圍和輸出電流范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定，除了大多數(shù) LDO 最需要的標(biāo)準(zhǔn)輸入濾波電容器外，只需使用一個(gè)單一陶瓷輸出電容器（圖 5）。

圖 5：Richtek RT9069 系列旨在將高度受限的電池供電型應(yīng)用的續(xù)航時(shí)間最大化，它們具有 2 μA 的靜態(tài)電流，且當(dāng)處于禁用狀態(tài)時(shí)靜態(tài)電流為零。（圖片來源：Richtek Technology Corp.）

充分利用 LDO

雖然 LDO 操作簡(jiǎn)單，但仍需重視一些基本的指導(dǎo)原則，以充分利用其優(yōu)勢(shì)并避免潛在損害。它們存在一些實(shí)際設(shè)計(jì)問題，如熱問題和封裝、布局注意事項(xiàng)以及噪聲拾取。

對(duì)于熱問題，關(guān)鍵是研究規(guī)格書中有關(guān)安全工作區(qū)和降額的表格和圖形（圖 6）。

圖 6：對(duì)于 LDO 來說，安全工作區(qū)的最大允許輸出電流與輸入輸出電壓差的幅值成反比；根據(jù)圖中標(biāo)準(zhǔn) SO-8 和專有 8 引腳 μMAX 封裝之間的差異所示，封裝類型也十分關(guān)鍵。（圖片來源：Maxim Integrated）

降額是一種多變量函數(shù)，包括 LDO 封裝。5 引腳 SOT-23 封裝的典型額定耗散超過 500 mW，而一些裸焊盤的額定值是該數(shù)值的四倍。如果 LDO 位于具有充足氣流的最佳位置和/或低阻抗熱路徑，將可以直接使用供應(yīng)商數(shù)據(jù)來確定因自發(fā)熱而造成的降額性能。

總結(jié)

線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)在于，直流輸出中產(chǎn)生的噪聲極少，輸出非常“干凈”，但是能效比開關(guān)轉(zhuǎn)換器低很多，不能像開關(guān)穩(wěn)壓器一樣實(shí)現(xiàn)高于輸入電壓的升壓輸出。

盡管如此，一些應(yīng)用仍會(huì)首選線性穩(wěn)壓器，而就簡(jiǎn)潔性、成本、在特定工作條件下以及能效而言，線性穩(wěn)壓器是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“最佳”選擇。