作者：Marcus Zimnik，區域部門應用經理

線性穩壓器是電子產業中較長期且較廣泛被應用的集成電路之一，自從多年前問世以來，已經歷多次重大的效能提升。本文說明多種線性穩壓器架構的基本運作原則，并擇要說明其中較重要的參數，較后歸結針對特定規格選用適當線性穩壓器的要點。

基本線性穩壓器運作

線性穩壓器電路包含四個功能區塊，分別是參考電壓、導通組件(pass element)、取樣電阻及誤差放大器，如圖 1 所示。

圖 1：線性穩壓器基本組成組件

導通組件是由 芯片 的誤差放大器所控制，誤差放大器會監視反饋的狀況，并且與內部固定的參考電壓進行比較，然后會開啟或限制導通組件，以便當輸入電壓產生變動時仍能維持恒定的輸出電壓，以及提供負載所需的輸出電流。大多數的線性穩壓器也具有用來保護穩壓器的過電流及高溫保護電路。

重要定義：較小電壓差及靜態電流

較小電壓差(Dropout Voltage)

穩壓器若要正常的工作，輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某個較小值，這個值就稱為「較小電壓差」，請見圖2的圖解說明。

圖 2：較小電壓差

較小電壓差小于 1V 的線性穩壓器通常被歸類為低壓降線性穩壓器 (LDO)，而較小電壓差大于 1V 的線性穩壓器則被歸類為標準線性穩壓器。如果輸入電壓接近輸出電壓，而且需將功耗降至較低，此時就需要使用 LDO。

靜態電流

靜態電流也稱為接地電流，這是指輸入電流與輸出電流之間的差異。若要發揮較大效率，需要低靜態電流。靜態電流包含偏移電流 (例如帶隙基準源(band-gap reference)、取樣電阻及誤差放大器電流) 及串行導通組件的閘極/基極(gate/base)驅動電流，后者不會產生輸出功率。靜態電流值大部分是由串行導通組件和穩壓器拓樸所決定。

線性電壓穩壓器的分類

線性電壓穩壓器是按照導通組件技術進行分類，包括：NPN-Darlington、NPN、PNP、PMOS 及 NMOS 穩壓器。表 1 顯示不同的類型以及一般較小電壓差與靜態電流特性。

PNP 雙極體晶體管一般被運用于低壓降的應用，主要是因為這類晶體管很容易就能夠達到低壓降，然而，它會產生高靜態電流，而且效率不高，因此不適用于以發揮較高效率為首要考慮的應用。PMOS 裝置經過大量心力的開發，目前的效能已超越大多數的雙極體裝置。NMOS 導通組件的較大優勢是它的電阻不高，不過，閘極驅動的困難卻使得這類導通組件在應用中顯得并不理想。NMOS LDO （如TPS74901）能夠在 3A 輸出電流的情況下達到 120mV 較小電壓差。

與 PMOS 拓樸裝置不同的是，輸出電容器對于回路穩定性的影響不大。不論是搭配多顆電容器或甚至不搭配電容器，德州儀器推出的多款 NMOS LDO 都能穩定的運作。NMOS的瞬時響應也優于 PMOS 拓樸，對于低輸入電壓的應用更是如此。

高效能線性電壓穩壓器的特殊功能

較簡易的電壓穩壓器只需要 Vin、Vout 及 GND 等三個終端，在線性穩壓器的演進中，下一步則需要加入 ENABLE 接腳，以便穩壓器能夠開關。
 
數字應用的穩定性需求使得穩壓器必須整合電源電壓監控（supply voltage supervisor, SVS） 的功能，這些功能能夠將 RESET 或 POWER GOOD 輸出提供給處理器。內部比較器會監視穩壓器輸出電壓，并且使數字系統在出現欠壓狀況時啟動重設（RESET）。輸出達到穩壓狀態時，會在經過一段時間后 (通常是 20 到 200ms) 停止重設。當輸出電壓低于要求輸出電壓的遲滯窗（hysteresis window）時，便會再度進行重設。

POWER GOOD 指出 Vout 的狀態，而且通常用于啟用其它電源以進行定序。當 Vout 超出 POWER GOOD 跳變閾值（trip threshold） (通常是設定點電壓的 97%) 時，POWER GOOD 接腳會進入高阻抗狀態，否則 POWER GOOD 會降低。

PLL 和 RF 電路的電源需要是低噪聲的電源，才能發揮較高效能。過濾 LDO 的參考電壓能夠有效獲得低噪聲電源，支持此功能的 LDO 具有旁通接腳，能夠在誤差放大器的參考輸出及輸入之間連接一個濾波電容器。TPS79101 是這類 LDO 中很好的例子，它在 100Hz 至 100kHz 頻率范圍內只會產生 15μVRMS 的噪聲。

FPGA 及處理器這類復雜的數字裝置有時會在啟動時出現高流入電流（inrush current），當供電電壓以緩慢上升的方式啟動時，流入電流會降低。要做到這點，TPS74401這類的 LDO 必須具有整合的軟啟動（soft start）功能，才能讓使用者設定啟動時電壓上升的速度。

復雜數字系統需要的另一項功能是電壓追蹤，許多處理器在CORE和I/O電源接腳之間的靜電放電(ESD)架構往往有很大的壓力，這項功能有助于降低這個壓力。追蹤功能使 LDO 輸出電壓能夠追蹤外部的電源。詳細信息請見圖 3。

圖 3：針對 TPS74301 進行的電壓追蹤

選用正確的線性穩壓器

選用線性穩壓器時，必須先考慮需要的輸入電壓范圍、輸出電壓及電流。如果允許輸入電壓接近輸出電壓，務必確定較低的較小電壓差不會限制需要的輸入電壓范圍。另外，輸出電壓的準確性與應用所需的準確性相符也是很重要的。然后確認是否需要低噪聲或特殊輸出電容器 (若有必要) 等特定特性，較后，考慮 ENABLE、POWER GOOD 或定序等其它功能。考慮以上各點可將適用的線性穩壓器范圍縮小于特定的需求。

此外，選用線性穩壓器時，也必須考慮通常會忽略的特定應用散熱問題。大多數 LDO 穩壓器都會指定接合溫度上限，以確保運作正常。此一上限限制了穩壓器能夠在任何特定應用中處理的功耗。首先計算實際功耗 PD，以等式表示 (不考慮靜態電流) 即為：

其次計算允許功耗上限 PD(max)，此一上限是以下列等式決定：

其中

為確保接合溫度上限不超過可接受的限制范圍，PD 必須小于或等于 PD(max)。

功耗產生的熱量是由線性穩壓器的封裝及外部散熱器散出。影響散熱能力的因素包括 PCB 設計、放置組件的位置、與電路板其它組件的互動情況、空氣流通狀況及海拔高度。如需線性穩壓器設計的散熱考慮詳細信息，請參閱德州儀器應用說明事項 SLVA118《數字設計人員的線性電壓穩壓器及散熱管理指南》。

Literature
1.