电源基础知识——《线性稳压器电路》

线性稳压器电路

过去一段时间内，功率晶体管技术得到了长足发展，涌现出了许多种实现“可变串联阻抗”的方法，但都用到了功率器件，这些功率器件一直到今天还在大量使用。最开始出现的一种形式是利用NPN晶体管构成达林顿结构，如图2.3所示。

图2.3   早期的线性稳压电路是利用对NPN晶体管组成达林顿结构以满足大电流增益的需求

NPN功率晶体管由于其高耐压和大电流特性，一直使用了许多年。但是，如果只用单一NPN晶体管的话，它所需求的基极驱动能力会很容易超过绝大多数运放的输出能力，所以一般倾向于增加一级以提高电流增益， 即达林顿结构。这种方法增加了一个低端侧晶体管，主回路导通时集-射极电压差大约为2V(最小值)。

这个问题在随着PNP晶体管的出现而得到了缓解，与NPN对应的PNP晶体管，一样有着相同的电压和电流能力。这样即得到了图2.4所示的电路，此时PNP器件作为导通晶体管。

图2.4   PNP 晶体管的出现和应用，对于输入和输出压差很小的场合仍可以进行调节

图2.4所示的电路，仍然具有大的电流(两个品体管放大)增益特性，但此时由于PNP晶体管进人饱和区，输入输出的压差可以低至0.5V，这相对于NPN达林顿结构的2V，有很大的改善。同样在这个电路中也存在低端侧晶体管，但是由于 NPN功率管的基极电流是用来控制负载电流，而PNP的基极电流流入地，这会产生额外的损耗。

然而，功案半导体技术一直在 发展和进步，现在我们有了功率MOSFET，其导通阻抗RDS(ON)很低，同样可以在线性稳压器中的导通回路使用。如图25所

图2.5功率 MOSFET器件由于极低的导通阻抗，可以进一步提高线性稳压器的性能

尽管MOSFET功率器件问世存在很多年，但是它作为线性调节器的调整管却没有得到太快的发展。主要是因为稳压器完全导通时，需要在器件两端形成一个足够低的电压降。对于双极性晶体管而言，由于是少数载流子器件，其集电极和发射极之间的电阻是通过流经的电流来调节的，电流增大时电阻减少，这样集电结和发射结之间的压降可以维持相对恒定，且这个值在饱和导通时变得很小。

对于MOSFET,它是一个多数载流子器件，而没有电导率调制效应一说，故其“导通电阻”(而不是饱和电压)相对保持常数，这意味着电流增大，损耗呈指数增加。所以在MOSFET内部需要将多个MOSFET并联，以减少导通电阻，但这样会导致MOSFET的晶圆面积变得非常大，这相对于同样等级的双极性器件来说，成本增加。但是，MOSFET 技术日新月异，现今的高性能MOSFET器件的导通电阻与其连接线阻抗相等甚至更小，开始成为了一种高性价比方案。

即便如此，如果用MOSFET作为线性调节器的调整管，还有一个难点，门极和栅极之间的门槛电压一般在几伏，这比晶体管的0.7V左右的基极-射极电压要高不少。这样就对设计提出了挑战，要么利用一个N沟道器件并提供一个辅助偏置电压来进行栅极驱动，要么采用个同等级的但成本更高的P沟道器件。

虽然有这么多实现方式，但到现在为止，所有的线性稳压器仍然面临着损耗问题，负载电流流经可变阻抗，以及可变输入和受调节输出之间的电压差，此乘积产生的功耗仍然很大。

我们可以通过一个具体实例来更清楚地了解此问题，假设输入直流电压变化范围为8~12V，而输出电压5V，负载电流1A，即输出功率5W,在12V输入时，系统总的输入功率达12W,即有12W-5W=7W的损耗在调整管上，这个损耗是非常大的。

虽然线性稳压器的效率问题成为其很多应用场合的一个限制， 但是它仍然还是有许多优势:特别是前级输入电压已经进行预调节时，这样可以得到低的输入输出压差。但是，还有更为高效的解决方案，即开关稳压器。