经典永不过时 线性稳压器特点及优劣势讲解

有几十年电源经验的工程师应该还记得，在开关电源成为电源设计界的主流之前，一直是线性稳压器的天下。现如今，线性稳压器虽然已经退居幕后，但是在很多应用中还是能看到它的身影。本篇文章就将介绍线性稳压器的一些特点及优劣势。

特点

所谓的抗短路能力要求，是指在相关材料的短路条件下，稳压器不损坏。稳压器的抗短路能力包括承受短路的耐热能力和承受短路的动稳定能力两个方面。

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。五大主流线性稳压器每个都具有不同的旁路元件和独特性能，电压差和接地电流值主要由线性稳压器的旁路元件确定。分别适合不同的设备使用。

即使没有输出电容也相当稳定，它比较适合电压差较高的设备使用，规范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。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。

NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择，对于嵌入式应用而言，因为它压差小，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，因为它压差不够低。高增益NPN旁路管可使接地电流稳定在几个毫安，而且它公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

其中的旁路元件就是PNP晶体管。输入输出压差一般在0.30.7V之间。因为压差低，PNP旁路晶体管是一种低压差稳压器。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。不过它大接地电流会缩短电池的寿另外，PNP晶体管增益较低，会形成数毫安的不稳定接地电流。因为采用公共发射极结构，因此它输出阻抗比较高，这意味着需要外接特定范围容量和等效串联电阻(ESR电容才干够稳定工作)。

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。

优势分析

图1 集成型线性稳压器实例：只有3个引脚的7.5A线性稳压器

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1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。

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：

图2 电阻分压器采用12V总线输入产生3.3VDC

于是在图2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。

图3：线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比的关系。

如图3所示，线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比成比例。

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。

线性稳压器可以说是完美的诠释了“经典永远不会过时”这句话，它在开关电源之前奠定了电源设计领域的基础，并被沿用至今。本篇文章主要对线性稳压器的特点和优劣势进行了介绍，希望大家在阅读过后能对线性稳压器有进一步的了解。