與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，線性穩(wěn)壓器在簡單性、成本和輸出噪聲方面具有顯著優(yōu)勢，但在效率方面卻沒有優(yōu)勢。當(dāng)應(yīng)用于電池供電的便攜式設(shè)備時，電池壽命比單個電路效率更重要，因此，低壓差（LDO）和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的選擇并不那么明顯。此外，還必須考慮特定的電池特性，無論是堿性、鎳鎘、鎳氫還是鋰（Li+）。

介紹

穩(wěn)壓器設(shè)計的進(jìn)步有助于將便攜式電子產(chǎn)品確立為電子行業(yè)中增長最快的部分。這個市場對低成本、長電池壽命和小尺寸的需求正在改變和重新安排電源的設(shè)計優(yōu)先級。其結(jié)果是對最新一代電源IC規(guī)格的普遍重寫。

令人驚訝的是，開關(guān)模式和線性穩(wěn)壓器都參與了這一轉(zhuǎn)變。盡管開關(guān)模式穩(wěn)壓器在便攜式產(chǎn)品中主要使用，但線性穩(wěn)壓器仍然是一個可行的競爭者。工作電流、壓差、噪聲和封裝方面的進(jìn)步使現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器與過去大多數(shù)設(shè)計中使用的 LM309 和 μA7805 大不相同。

在為便攜式產(chǎn)品設(shè)計電源時，必須問三個非常重要的問題：線性穩(wěn)壓器能否在我的設(shè)計中工作？線性穩(wěn)壓器（相對于開關(guān)類型）會限制我的電池壽命嗎？哪些穩(wěn)壓器規(guī)格至關(guān)重要？這些問題將在以下討論中探討，重點(diǎn)是便攜式和手持式應(yīng)用。討論的問題包括開關(guān)模式和線性強(qiáng)度的比較、對電池壽命很重要的參數(shù)、何時不應(yīng)使用線性穩(wěn)壓器、電池類型如何影響您的設(shè)計決策，以及線性穩(wěn)壓器的特性如何幫助或阻礙便攜式設(shè)計。

線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器

在討論便攜式設(shè)計中線性穩(wěn)壓器的微妙之處之前，有必要對線性和開關(guān)類型進(jìn)行比較。在某些情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器可以在便攜式設(shè)計中提供主要優(yōu)勢。例如，如果高性能開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的效率為90%（將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)電源），則線性設(shè)計不太可能延長電池壽命，除非電池和線性穩(wěn)壓器之間的電壓差很小。

此外，線性穩(wěn)壓器只能將電壓降壓到較低的電平。如果系統(tǒng)需要電池?zé)o法提供的電壓，例如顯示器的高壓或模擬電路的負(fù)電壓，則系統(tǒng)通常需要開關(guān)穩(wěn)壓器。表1概述了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式穩(wěn)壓器之間的基本區(qū)別。

在簡單性和成本方面，使用線性穩(wěn)壓器而不是開關(guān)穩(wěn)壓器通常有很大的優(yōu)勢，但效率則不大。但是，測量的效率對電池壽命的實際影響可能具有欺騙性。對于要討論的許多電池配置，在電池的整個放電周期中考慮線性穩(wěn)壓器效率是相當(dāng)足夠的。

對于超低功耗設(shè)計，即使效率損失很大也是可以接受的。例如，在手持終端中，如果開關(guān)電源將電池壽命從 10 天延長到 15 天，那么它就可以物有所值。然而，對于小型組織者來說，僅僅為了將電池壽命從 4 個月增加到 6 個月而支付類似的費(fèi)用可能是不合理的。

組合使用線性和開關(guān)模式穩(wěn)壓器是產(chǎn)生多個電源電壓的常用技術(shù)（圖 1）。線性穩(wěn)壓器（圖1a）將電池電壓轉(zhuǎn)換為邏輯電源，一個或多個開關(guān)產(chǎn)生模擬電路和液晶顯示器（LCD）偏置所需的其他電壓。另一種方法（圖1b）通過線性和開關(guān)模式穩(wěn)壓器的組合實現(xiàn)噪聲和紋波抑制。由于這些穩(wěn)壓器消耗的功率不是便攜式系統(tǒng)總負(fù)載的主要部分，因此它們對電池壽命的影響很小。

（一）

（二）
圖1.（a） 該手持式端子對邏輯電源使用線性調(diào)節(jié)，但需要開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器用于LCD偏置和模擬電路。（b） 在另一種應(yīng)用中，開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器后接用于低壓邏輯和RF接收器的線性后置穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器就足夠了嗎？

線性穩(wěn)壓器是大多數(shù)設(shè)計的首選。與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，它們的成本更低，外部元件更少，電路復(fù)雜性更低。然而，線性穩(wěn)壓器也有缺點(diǎn)：電池壽命縮短、電池數(shù)量增加、壓差更大和發(fā)熱。雖然這些問題并非便攜式設(shè)備所獨(dú)有，但需要與交流供電設(shè)備不同的解決方案。

在確定調(diào)節(jié)器類型時，細(xì)胞計數(shù)通常是一個不靈活的問題（反之亦然）。例如，線性穩(wěn)壓器需要足夠數(shù)量的串聯(lián)電池，以產(chǎn)生始終超過穩(wěn)壓器輸出電壓的輸入。對于-3.3V輸出，這意味著使用3節(jié)或更多節(jié)電池（每節(jié)約1V至1.5V）用于堿性、鎳鎘或鎳氫電池。Li+電池需要更少的電池，因為Li+電池具有更高的電壓：通常在2.5V和4.2V之間。對于5V輸出，可能需要至少5節(jié)電池來確保足夠的穩(wěn)壓器輸入，因為電池電壓在放電期間會下降。對于12V輸出，電池數(shù)量變得如此之高，以至于開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器通常比線性穩(wěn)壓器更有意義。

從電壓裕量和總能量的角度來看，當(dāng)電池數(shù)量合理時，線性穩(wěn)壓器最合適。如果只有 5 節(jié)電池有足夠的功率來支持負(fù)載足夠長的時間，則通過堆疊 6 節(jié)或 2 節(jié)電池來滿足線性穩(wěn)壓器的輸入要求不太明智。在這種情況下，開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器增加的成本可以通過較低的電池數(shù)量來證明，特別是如果電池是可充電的。

如果電池的端電壓低于所需的最小值，則線性穩(wěn)壓器無法在電池接近放電終點(diǎn)時提取所有可用能量。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器可以根據(jù)需要提高電池電壓。但是，設(shè)計人員通常選擇具有最低可用壓差的線性穩(wěn)壓器，而不是產(chǎn)生開關(guān)穩(wěn)壓器的費(fèi)用。（壓差是輸入和輸出電壓之間的最小允許差值，恰好在失去穩(wěn)壓時發(fā)生。線性穩(wěn)壓器的壓差差異很大，即使在制造商標(biāo)記為低壓差類型的穩(wěn)壓器中也是如此（表 2）。

使用真實電池的生活

設(shè)計便攜式電源的一個好的起點(diǎn)是考慮使用實際電池獲得的結(jié)果，而不是穩(wěn)壓器輸入端的理想化電源。大多數(shù)電池的基本特性是非零輸出電阻和與電池放電相關(guān)的電壓下降（圖 2）。這種放電曲線有時有利于線性調(diào)節(jié)，因為損耗的功率是輸入-輸出電壓差的函數(shù)。

圖2.這些曲線顯示了100mW恒定功率負(fù)載下的典型堿性和鎳鎘電池放電曲線。鎳鎘電池的放電更平坦是由于其較低的電池電阻。

對于剛充電的電池來說，電壓高而效率低，但隨著電池電壓的下降，效率實際上會提高（圖 3）。輟學(xué)時，當(dāng) V在幾乎等于 V外，線性穩(wěn)壓器效率幾乎是100%！這種行為與開關(guān)模式穩(wěn)壓器的典型行為相反。然而，重要的問題是，在電池的大部分壽命中，效率水平是多少，這種效率曲線對電池壽命有什么影響？如果最差的效率持續(xù)相對較短的時間，則其對電池壽命的影響可能不會很大。

圖3.對于具有3mW恒功率負(fù)載的100節(jié)線性穩(wěn)壓系統(tǒng)的電池電壓下降，效率隨電池電壓下降而提高。差壓差的平均效率為85%。在輟學(xué)時，電池中剩余約5小時的能量（占總能量的20%），總累積效率為68%。

關(guān)于圖3的曲線，缺點(diǎn)是，當(dāng)穩(wěn)壓器達(dá)到壓差時，20%的能量（5小時中的25小時）仍留在電池中。因此，電池能量使用的百分比，85%×80%= 68%，對于低成本設(shè)計來說仍然不錯。曲線表明，如果系統(tǒng)可以在低至 3.0V 的壓差下運(yùn)行，將電池利用能量的百分比提高到 85% × 90% = 76.5%，則可以再運(yùn)行 2.5 小時。

優(yōu)于提高效率

在便攜式設(shè)計中，提高效率的最便宜的方法是降低負(fù)載電流，這增加了低成本線性穩(wěn)壓器完成這項工作的可能性。雖然顯而易見，但這些好處對實際效率沒有影響，實際效率（根據(jù)定義）是“功率輸出除以功率輸入”。盡管如此，負(fù)載電流的降低比尖端穩(wěn)壓器設(shè)計對電池壽命的貢獻(xiàn)更大。

考慮將電源效率提高10%的成本，然后考慮將負(fù)載降低10%或更多的方法——使用低功耗IC、增加上拉電阻或降低工作電壓的更吝嗇的電源管理。通常，錢花在負(fù)載上比花在調(diào)節(jié)器上更好。降低線性穩(wěn)壓系統(tǒng)中的輸出電壓說明了這一點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，電池壽命會延長，因為IC消耗的電流較少，但效率實際上會下降（[(VOUT × IOUT)/(VIN × IIN)]減少）。

為什么要關(guān)心靜態(tài)電流？

電池設(shè)計中另一個關(guān)鍵的穩(wěn)壓器規(guī)格是靜態(tài)電流，也稱為“工作電流”或“接地電流”。該電流永遠(yuǎn)不會到達(dá)負(fù)載;它從電池流出，為穩(wěn)壓器本身供電。該規(guī)格的重要性與靜態(tài)電流相對于負(fù)載電流的大小成正比。如果負(fù)載電流為350mA，靜態(tài)電流為1mA，則對低效率的靜態(tài)貢獻(xiàn)僅為-0.28%。然而，對于1mA負(fù)載，損耗百分比要差得多：-50%。

負(fù)載電流通常變化很大，因此靜態(tài)電流對電池壽命的凈影響取決于這兩種情況的組合。問題是，哪種負(fù)載發(fā)生的時間最長？如果負(fù)載電流在大部分時間都很小，則必須確保低靜態(tài)電流以實現(xiàn)高效率。此警告在從未真正關(guān)閉的設(shè)計中尤其重要。儀器可以有一個開/關(guān)按鈕，盡管“關(guān)閉”可能僅表示系統(tǒng)電源處于活動狀態(tài)的睡眠模式或待機(jī)狀態(tài)，但負(fù)載以微安為單位。表3給出了靜態(tài)電流如何影響三種器件的效率：交流線路供電設(shè)計中常用的低功耗穩(wěn)壓器（LM78L05）和兩個針對低工作電流優(yōu)化的穩(wěn)壓器（MAX8863和MAX882）。

壓差期間靜態(tài)電流的行為是基于pnp和pFET晶體管的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器之間的一個微妙但重要的區(qū)別（參見表3的第4列和第2欄）。pFET柵極幾乎不吸收電流，因此pFET穩(wěn)壓器在壓差期間沒有靜態(tài)上升。然而，在pnp設(shè)計中，靜態(tài)電流上升，因為穩(wěn)壓器努力通過將基極電流降至地來維持其輸出電壓。對于壓差是正?，F(xiàn)象而不是“故障”情況的應(yīng)用（例如將3節(jié)堿性電池調(diào)節(jié)至3.3V），這種額外的靜態(tài)電流可能很大。

如果系統(tǒng)IC允許電源電壓容差為±10%，則在輸出降至3.0V時繼續(xù)工作會很有用，每個電池將電池耗盡至近1V。基于pnp晶體管的器件往往會通過消耗更多的靜態(tài)電流來加速電池消耗。然而，對于基于FET的穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流保持不變。

熱

便攜式系統(tǒng)中線性穩(wěn)壓器的一個主要絆腳石是難以從小型外殼散熱。熱問題對于任何線性穩(wěn)壓電源都很重要，但在便攜式設(shè)備（尤其是手持設(shè)備）中，問題變得尖銳。雖然IC只能處理有限的熱量，但新的表面貼裝封裝很有幫助。5引腳SOT23封裝的額定功率超過500mW，一些裸焊盤封裝的額定功率接近2W（表4）。

新包裝不斷推出，因此最好監(jiān)控制造商的產(chǎn)品。圖4將可用平均電流定義為一個0.5A表面貼裝器件的輸入電壓的函數(shù)。同樣，負(fù)載電流曲線隨時間的變化可以作為散熱的指南。如果負(fù)載電流峰值足夠短，可以進(jìn)行熱積分，則低功耗封裝就足夠了。

圖4.MAX1792采用高功率、8引腳μMAX封裝，功耗超過標(biāo)準(zhǔn)8引腳SO。安全工作區(qū)顯示最大允許輸出電流與輸入-輸出電壓差的大小成反比關(guān)系。

負(fù)載管理

為了減少電池消耗，許多便攜式系統(tǒng)僅在需要時打開其各種內(nèi)部電路塊。這種開關(guān)通常采用邏輯驅(qū)動的pFET開關(guān)在穩(wěn)壓電源之后實現(xiàn)。為了避免在提供峰值負(fù)載電流時失去穩(wěn)壓，F(xiàn)ET的導(dǎo)通電阻必須足夠低，以確保負(fù)載側(cè)電壓保持在規(guī)定的最小水平之上。

在3.3V及以下的低壓系統(tǒng)中，這種開關(guān)電阻問題更加復(fù)雜，因為低柵極驅(qū)動可能無法充分降低FET的導(dǎo)通電阻。低柵極閾值FET的成本正在下降。然而，在許多情況下，使用多個線性穩(wěn)壓器提供了更好的方法。許多新型線性穩(wěn)壓器具有邏輯電平關(guān)斷功能，可完全關(guān)斷穩(wěn)壓器輸出，使器件能夠同時用作穩(wěn)壓器和開關(guān)。

圖5描述了使用單個（圖5a）和多個（圖5b）穩(wěn)壓器實現(xiàn)的便攜式無線產(chǎn)品。如圖所示，如果為每個輸出提供單獨(dú)的關(guān)斷控制，圖5b設(shè)計會更方便一些，但它也適用于單輸出器件。這種設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

它避免了電池和負(fù)載之間的兩個調(diào)整元件（當(dāng)穩(wěn)壓器后面是FET時就是這種情況）。

它在穩(wěn)壓器/開關(guān)的輸出側(cè)提供穩(wěn)壓。

穩(wěn)壓器可以放置在更靠近其負(fù)載的位置，以獲得更好的動態(tài)性能。

功耗分布在兩個或多個器件之間。

（一）

（二）
圖5.此處顯示了便攜式無線產(chǎn)品中分布式電源和負(fù)載管理的兩種方法。（a） 單個穩(wěn)壓器后接 pFET 負(fù)載開關(guān)需要低開關(guān)電阻。這可確保在提供峰值負(fù)載電流的同時實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。（b） 兩個雙穩(wěn)壓器IC執(zhí)行相同的功能，但具有兩個優(yōu)點(diǎn)：它們提供四個獨(dú)立穩(wěn)壓的輸出，并將功耗分配給多個器件。

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