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低壓差穩(wěn)壓器的基本定義和特性

東芝半導(dǎo)體 ? 來源:東芝半導(dǎo)體 ? 2025-06-05 11:46 ? 次閱讀
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歡迎來到芝識課堂!從本文開始,我們要為您介紹在電源電路設(shè)計中非常重要,還經(jīng)常露面的“大明星”——低壓差穩(wěn)壓器。我們會介紹低壓差穩(wěn)壓器的基本定義、內(nèi)部原理、工作方式以及它們的電氣特性。首先,我們來看低壓差穩(wěn)壓器是個什么東西。

1什么是低壓差穩(wěn)壓器

低壓差穩(wěn)壓器(Low dropout regulator,簡稱LDO)是一種線性直流穩(wěn)壓器集成電路(IC),又稱低壓差線性穩(wěn)壓器。一般而言,輸入與輸出電壓之間壓差較小的穩(wěn)壓器,被稱作低壓差穩(wěn)壓器。

在實際應(yīng)用中,所需輸出電壓與輸入電壓不一致時,便會用到低壓差穩(wěn)壓器。舉例來說,如果輸入電壓為5V,而實際需要的輸出電壓為3V,在這種情況下,低壓差穩(wěn)壓器就成為一種簡便經(jīng)濟的穩(wěn)壓解決方案。

在電路中,低壓差穩(wěn)壓器的符號是三端形。如圖1,它有三個端子:(1)輸入電壓(VIN);(2)輸出電壓(VOUT);(3)接地。

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圖1. 低壓差穩(wěn)壓器的表示符號和幾個端子

另外,位于VIN與柵極驅(qū)動電路之間的柵源電壓(VGS)主要用來精準(zhǔn)控制驅(qū)動電路導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。

圖2是東芝的幾種低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)品。從通用款到緊湊封裝款,東芝低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)品類型多樣,能夠滿足客戶各種高性能需求。

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圖2. 東芝幾種低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)品

2低壓差穩(wěn)壓器是一種穩(wěn)壓器IC

低壓差穩(wěn)壓器是一種穩(wěn)壓器集成電路(IC)。穩(wěn)壓器IC大致分為兩類:一是能夠?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換為符合需求的直流電壓的IC;二是可將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗柚绷麟妷旱腎C。

用于直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)壓器IC又可細分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器(亦稱DC-DC轉(zhuǎn)換器)。

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圖3. 電源IC分類

線性穩(wěn)壓器通常只能實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。其工作原理是通過調(diào)整自身元件(如晶體管)工作狀態(tài),使其處于線性放大區(qū),以消耗多余電壓來實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。為此,輸入電壓必須始終高于輸出電壓,才能有足夠的壓差供線性穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)。

3什么是線性穩(wěn)壓器

作為一種穩(wěn)壓器IC,線性穩(wěn)壓器的MOS管能隨輸入電壓或輸出電流的變化起到可變電阻作用,以保持輸出電壓穩(wěn)定不變。

線性穩(wěn)壓器有兩種基本形式,串聯(lián)穩(wěn)壓器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。顧名思義,串聯(lián)穩(wěn)壓器是串聯(lián)在電源和負載之間的穩(wěn)壓器,而并聯(lián)穩(wěn)壓器則并聯(lián)在電源和負載之間。低壓差穩(wěn)壓器本質(zhì)上是一種串聯(lián)穩(wěn)壓器。

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圖4. 串聯(lián)穩(wěn)壓器和并聯(lián)穩(wěn)壓器

4線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的特性各有千秋,如圖5所示。

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圖5. 線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器對比

在效率方面,線性穩(wěn)壓器效率偏低,介于50%-80%之間。由于靠調(diào)整晶體管消耗多余電壓來穩(wěn)壓,電能多以熱形式耗散。開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高,可達80%-95%。它通過高頻開關(guān)晶體管及儲能元件轉(zhuǎn)換電壓,所以功耗更小。

在輸出紋波上,線性穩(wěn)壓器表現(xiàn)出色,輸出紋波小,能提供平滑直流電壓,適合為電壓穩(wěn)定性要求高的模擬電路供電。開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波較大,不過現(xiàn)代技術(shù)已能將其控制在一定范圍,常用于對紋波不太敏感的數(shù)字電路。

負載響應(yīng)速度方面,線性穩(wěn)壓器較快,能迅速應(yīng)對負載變化。開關(guān)穩(wěn)壓器相對較慢,但通過優(yōu)化響應(yīng)速度也在提升。

電路復(fù)雜性與成本方面,線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡單,外部元件少,設(shè)計調(diào)試容易,成本低,適用于對成本和空間要求高的場景。開關(guān)穩(wěn)壓器電路復(fù)雜,外部元件較多,設(shè)計調(diào)試要求和成本高,在大功率、高效率需求場合優(yōu)勢明顯。

電磁干擾方面,因無高頻開關(guān)動作,線性穩(wěn)壓器電磁干擾小,適用于對電磁兼容性要求高的環(huán)境。開關(guān)穩(wěn)壓器工作產(chǎn)生的高頻信號會帶來電磁干擾,需采取屏蔽和濾波措施。

本篇我們了解了低壓差穩(wěn)壓器的基本定義和特性,下篇我們將分享電子系統(tǒng)對低壓差穩(wěn)壓器的要求,以及相應(yīng)的解決方案。

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東芝電子元件及存儲裝置株式會社是先進的半導(dǎo)體和存儲解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商,公司累積了半個多世紀的經(jīng)驗和創(chuàng)新,為客戶和合作伙伴提供分立半導(dǎo)體、系統(tǒng)LSI和HDD領(lǐng)域的杰出解決方案。

東芝電子元件及存儲裝置株式會社十分注重與客戶的密切協(xié)作,旨在促進價值共創(chuàng),共同開拓新市場,期待為世界各地的人們建設(shè)更美好的未來并做出貢獻。

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原文標(biāo)題:芝識課堂丨低壓差(LDO)穩(wěn)壓器(一),電源設(shè)計中的電壓調(diào)節(jié)能手

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