電源是各種電子設備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開關電源兩大類，由于開關電源內(nèi)部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開關電源效率可達80%~90%，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。本文介紹一種應用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）優(yōu)化開關電源的設計方法，并對該方法的可行性通過實驗加以驗證。

LDO的基本原理

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的基本電路如圖1所示，該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

圖1：低壓差線性穩(wěn)壓器基本電路。

取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值新增，比較放大器輸出的驅(qū)動電流新增，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所要的設定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正持續(xù)進行，調(diào)整時間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。

應當說明的是，實際的線性穩(wěn)壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等，而且串聯(lián)調(diào)整管也可以采用MOSFET。

LDO的選用原則

1.輸入輸出電壓差

輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的前提下，該電壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

2.最大輸出電流

用電設備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應根據(jù)各部分所要的電流值選擇適當?shù)姆€(wěn)壓器。

3.負載調(diào)整率

負載調(diào)整率是眾多電源設備一個非常重要的參數(shù)，它反映了電源抑制負載干擾的能力，負載調(diào)整率越低，輸出負載對輸出電壓的影響越小，LDO的品質(zhì)就越好。

4.接地電流

接地電流IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時，輸入電源供應的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時也稱為靜態(tài)電流，但是采用pNp晶體管作串聯(lián)調(diào)整元件時，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差線性穩(wěn)壓器的接地電流很小。

圖2：LDO應用于開關電源原理。

5.輸出電容器

典型LDO要新增外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比（pSRR）、噪聲以及瞬態(tài)性能。

陶瓷電容器通常是首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級，而鉭電容器ESR在100mΩ量級。另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會對LDO性能出現(xiàn)不利影響。電容的具體應用要咨詢LDO廠商以確保正確執(zhí)行。

6.封裝

選擇LDO產(chǎn)品時應考慮LDO的散熱，負載大的LDO應盡可能選擇大封裝，這樣有利于LDO性能穩(wěn)定。

LDO應用于開關電源設計

遵循以上原則，本文選擇哈爾濱圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的SG2002和SG2012系列LDO。

應用LDO于開關電源的電路如圖2所示，圖中虛線部分是開關電源通常采用的電路，它可以給LDO供應+6V/1.5A的輸出電壓/電流。該電源應用SG2002-5.0XN5/TR、SG2012-3.3XKC3/TR、SG2012-2.5XKC3/TR以及SG2012-1.8XKC3/TR分別生成+5.0V/0.3A、3.3/0.4A、2.5V/0.4A以及1.8V/0.4A電壓/電流。圖中LDO芯片的輸入端和輸出端接有1uF的瓷片電容，以此提高LDO的穩(wěn)定性。在每個LDO的Bp端接上一個0.01uF的瓷片電容，可以有效地降低LDO的輸出噪聲。

LDO在開關電源中的用途

1.簡化開關電源設計

開關電源多路輸出一般通過新增高頻變壓器反饋端來實現(xiàn)，這使得開關電源在設計過程中新增了設計者的工作量。應用LDO作為開關電源的輸出終端，可以極大地簡化開關電源的設計，縮短開發(fā)周期。

2.提高開關電源的負載調(diào)整率

LDO是來穩(wěn)定電源電壓的專用芯片，目前有很多公司設計的LDO的負載調(diào)整率非常小。應用LDO可以大幅度地降低開關電源負載調(diào)整率。

3.有效濾除開關電源電磁干擾，減小紋波輸出

開關電源的突出缺點是出現(xiàn)較強的EMI。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。假如處理不當，開關電源本身就會變成一個干擾源。LDO有較高的電源抑制比，且LDO是低噪聲器件，因此應用LDO可以有效地濾除開關電源EMI，減小紋波輸出。

4．為開關電源供應過流保護

盡管許多pWM控制芯片本身具有過流保護功能，但LDO的過流保護功能可以提升開關電源的安全系數(shù)。

試驗分析

圖3：開關電源負載調(diào)整率測試電路

下面通過以下兩個實驗來驗證該方法的可行性：

1．測量負載調(diào)整率

實驗電路如圖3所示。由電子負載依次拉出0mA到400mA的電流，在每個負載點記錄下開關電源的輸出電壓。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以得出圖4所示的圖表。該圖充分說明，LDO優(yōu)秀的負載調(diào)整率已經(jīng)被完全移植到開關電源上。換言之，LDO極大地提高了開關電源的負載調(diào)整率。

2．輸出紋波的測量

分別在開關電源的LDO輸入端和輸出端接上示波器，可以得出圖5所示的波形。其中Ch1是LDO入口處的輸出波形，而Ch2是LDO出口處的輸出波形，即開關電源的最終輸出波形。

由上圖可以看出，LDO有效地濾除了開關電源EMI信號，相關于搭建常規(guī)EMI過濾器來講，應用LDO更簡單可靠。