與開關穩壓器相比，線性穩壓器在簡單性、成本和輸出噪聲方面具有顯著優勢，但在效率方面卻沒有優勢。當應用于電池供電的便攜式設備時，電池壽命比單個電路效率更重要，因此，低壓差（LDO）和開關穩壓器之間的選擇并不那么明顯。此外，還必須考慮特定的電池特性，無論是堿性、鎳鎘、鎳氫還是鋰（Li+）。

介紹

穩壓器設計的進步有助于將便攜式電子產品確立為電子行業中增長最快的部分。這個市場對低成本、長電池壽命和小尺寸的需求正在改變和重新安排電源的設計優先級。其結果是對最新一代電源IC規格的普遍重寫。

令人驚訝的是，開關模式和線性穩壓器都參與了這一轉變。盡管開關模式穩壓器在便攜式產品中主要使用，但線性穩壓器仍然是一個可行的競爭者。工作電流、壓差、噪聲和封裝方面的進步使現代線性穩壓器與過去大多數設計中使用的 LM309 和 μA7805 大不相同。

在為便攜式產品設計電源時，必須問三個非常重要的問題：線性穩壓器能否在我的設計中工作？線性穩壓器（相對于開關類型）會限制我的電池壽命嗎？哪些穩壓器規格至關重要？這些問題將在以下討論中探討，重點是便攜式和手持式應用。討論的問題包括開關模式和線性強度的比較、對電池壽命很重要的參數、何時不應使用線性穩壓器、電池類型如何影響您的設計決策，以及線性穩壓器的特性如何幫助或阻礙便攜式設計。

線性穩壓器與開關穩壓器

在討論便攜式設計中線性穩壓器的微妙之處之前，有必要對線性和開關類型進行比較。在某些情況下，開關穩壓器可以在便攜式設計中提供主要優勢。例如，如果高性能開關模式轉換器的效率為90%（將電池功率轉換為系統電源），則線性設計不太可能延長電池壽命，除非電池和線性穩壓器之間的電壓差很小。

此外，線性穩壓器只能將電壓降壓到較低的電平。如果系統需要電池無法提供的電壓，例如顯示器的高壓或模擬電路的負電壓，則系統通常需要開關穩壓器。表1概述了線性穩壓器和開關模式穩壓器之間的基本區別。

在簡單性和成本方面，使用線性穩壓器而不是開關穩壓器通常有很大的優勢，但效率則不大。但是，測量的效率對電池壽命的實際影響可能具有欺騙性。對于要討論的許多電池配置，在電池的整個放電周期中考慮線性穩壓器效率是相當足夠的。

對于超低功耗設計，即使效率損失很大也是可以接受的。例如，在手持終端中，如果開關電源將電池壽命從 10 天延長到 15 天，那么它就可以物有所值。然而，對于小型組織者來說，僅僅為了將電池壽命從 4 個月增加到 6 個月而支付類似的費用可能是不合理的。

組合使用線性和開關模式穩壓器是產生多個電源電壓的常用技術（圖 1）。線性穩壓器（圖1a）將電池電壓轉換為邏輯電源，一個或多個開關產生模擬電路和液晶顯示器（LCD）偏置所需的其他電壓。另一種方法（圖1b）通過線性和開關模式穩壓器的組合實現噪聲和紋波抑制。由于這些穩壓器消耗的功率不是便攜式系統總負載的主要部分，因此它們對電池壽命的影響很小。

（一）

（二）
圖1.（a） 該手持式端子對邏輯電源使用線性調節，但需要開關模式轉換器用于LCD偏置和模擬電路。（b） 在另一種應用中，開關模式升壓轉換器后接用于低壓邏輯和RF接收器的線性后置穩壓器。

線性穩壓器就足夠了嗎？

線性穩壓器是大多數設計的首選。與開關穩壓器相比，它們的成本更低，外部元件更少，電路復雜性更低。然而，線性穩壓器也有缺點：電池壽命縮短、電池數量增加、壓差更大和發熱。雖然這些問題并非便攜式設備所獨有，但需要與交流供電設備不同的解決方案。

在確定調節器類型時，細胞計數通常是一個不靈活的問題（反之亦然）。例如，線性穩壓器需要足夠數量的串聯電池，以產生始終超過穩壓器輸出電壓的輸入。對于-3.3V輸出，這意味著使用3節或更多節電池（每節約1V至1.5V）用于堿性、鎳鎘或鎳氫電池。Li+電池需要更少的電池，因為Li+電池具有更高的電壓：通常在2.5V和4.2V之間。對于5V輸出，可能需要至少5節電池來確保足夠的穩壓器輸入，因為電池電壓在放電期間會下降。對于12V輸出，電池數量變得如此之高，以至于開關模式升壓轉換器通常比線性穩壓器更有意義。

從電壓裕量和總能量的角度來看，當電池數量合理時，線性穩壓器最合適。如果只有 5 節電池有足夠的功率來支持負載足夠長的時間，則通過堆疊 6 節或 2 節電池來滿足線性穩壓器的輸入要求不太明智。在這種情況下，開關模式升壓轉換器增加的成本可以通過較低的電池數量來證明，特別是如果電池是可充電的。

如果電池的端電壓低于所需的最小值，則線性穩壓器無法在電池接近放電終點時提取所有可用能量。然而，開關穩壓器可以根據需要提高電池電壓。但是，設計人員通常選擇具有最低可用壓差的線性穩壓器，而不是產生開關穩壓器的費用。（壓差是輸入和輸出電壓之間的最小允許差值，恰好在失去穩壓時發生。線性穩壓器的壓差差異很大，即使在制造商標記為低壓差類型的穩壓器中也是如此（表 2）。

使用真實電池的生活

設計便攜式電源的一個好的起點是考慮使用實際電池獲得的結果，而不是穩壓器輸入端的理想化電源。大多數電池的基本特性是非零輸出電阻和與電池放電相關的電壓下降（圖 2）。這種放電曲線有時有利于線性調節，因為損耗的功率是輸入-輸出電壓差的函數。

圖2.這些曲線顯示了100mW恒定功率負載下的典型堿性和鎳鎘電池放電曲線。鎳鎘電池的放電更平坦是由于其較低的電池電阻。

對于剛充電的電池來說，電壓高而效率低，但隨著電池電壓的下降，效率實際上會提高（圖 3）。輟學時，當 V在幾乎等于 V外，線性穩壓器效率幾乎是100%！這種行為與開關模式穩壓器的典型行為相反。然而，重要的問題是，在電池的大部分壽命中，效率水平是多少，這種效率曲線對電池壽命有什么影響？如果最差的效率持續相對較短的時間，則其對電池壽命的影響可能不會很大。

圖3.對于具有3mW恒功率負載的100節線性穩壓系統的電池電壓下降，效率隨電池電壓下降而提高。差壓差的平均效率為85%。在輟學時，電池中剩余約5小時的能量（占總能量的20%），總累積效率為68%。

關于圖3的曲線，缺點是，當穩壓器達到壓差時，20%的能量（5小時中的25小時）仍留在電池中。因此，電池能量使用的百分比，85%×80%= 68%，對于低成本設計來說仍然不錯。曲線表明，如果系統可以在低至 3.0V 的壓差下運行，將電池利用能量的百分比提高到 85% × 90% = 76.5%，則可以再運行 2.5 小時。

優于提高效率

在便攜式設計中，提高效率的最便宜的方法是降低負載電流，這增加了低成本線性穩壓器完成這項工作的可能性。雖然顯而易見，但這些好處對實際效率沒有影響，實際效率（根據定義）是“功率輸出除以功率輸入”。盡管如此，負載電流的降低比尖端穩壓器設計對電池壽命的貢獻更大。

考慮將電源效率提高10%的成本，然后考慮將負載降低10%或更多的方法——使用低功耗IC、增加上拉電阻或降低工作電壓的更吝嗇的電源管理。通常，錢花在負載上比花在調節器上更好。降低線性穩壓系統中的輸出電壓說明了這一點。在大多數情況下，電池壽命會延長，因為IC消耗的電流較少，但效率實際上會下降（[(VOUT × IOUT)/(VIN × IIN)]減少）。

為什么要關心靜態電流？

電池設計中另一個關鍵的穩壓器規格是靜態電流，也稱為“工作電流”或“接地電流”。該電流永遠不會到達負載;它從電池流出，為穩壓器本身供電。該規格的重要性與靜態電流相對于負載電流的大小成正比。如果負載電流為350mA，靜態電流為1mA，則對低效率的靜態貢獻僅為-0.28%。然而，對于1mA負載，損耗百分比要差得多：-50%。

負載電流通常變化很大，因此靜態電流對電池壽命的凈影響取決于這兩種情況的組合。問題是，哪種負載發生的時間最長？如果負載電流在大部分時間都很小，則必須確保低靜態電流以實現高效率。此警告在從未真正關閉的設計中尤其重要。儀器可以有一個開/關按鈕，盡管“關閉”可能僅表示系統電源處于活動狀態的睡眠模式或待機狀態，但負載以微安為單位。表3給出了靜態電流如何影響三種器件的效率：交流線路供電設計中常用的低功耗穩壓器（LM78L05）和兩個針對低工作電流優化的穩壓器（MAX8863和MAX882）。

壓差期間靜態電流的行為是基于pnp和pFET晶體管的低壓差（LDO）穩壓器之間的一個微妙但重要的區別（參見表3的第4列和第2欄）。pFET柵極幾乎不吸收電流，因此pFET穩壓器在壓差期間沒有靜態上升。然而，在pnp設計中，靜態電流上升，因為穩壓器努力通過將基極電流降至地來維持其輸出電壓。對于壓差是正常現象而不是“故障”情況的應用（例如將3節堿性電池調節至3.3V），這種額外的靜態電流可能很大。

如果系統IC允許電源電壓容差為±10%，則在輸出降至3.0V時繼續工作會很有用，每個電池將電池耗盡至近1V。基于pnp晶體管的器件往往會通過消耗更多的靜態電流來加速電池消耗。然而，對于基于FET的穩壓器，靜態電流保持不變。

熱

便攜式系統中線性穩壓器的一個主要絆腳石是難以從小型外殼散熱。熱問題對于任何線性穩壓電源都很重要，但在便攜式設備（尤其是手持設備）中，問題變得尖銳。雖然IC只能處理有限的熱量，但新的表面貼裝封裝很有幫助。5引腳SOT23封裝的額定功率超過500mW，一些裸焊盤封裝的額定功率接近2W（表4）。

新包裝不斷推出，因此最好監控制造商的產品。圖4將可用平均電流定義為一個0.5A表面貼裝器件的輸入電壓的函數。同樣，負載電流曲線隨時間的變化可以作為散熱的指南。如果負載電流峰值足夠短，可以進行熱積分，則低功耗封裝就足夠了。

圖4.MAX1792采用高功率、8引腳μMAX封裝，功耗超過標準8引腳SO。安全工作區顯示最大允許輸出電流與輸入-輸出電壓差的大小成反比關系。

負載管理

為了減少電池消耗，許多便攜式系統僅在需要時打開其各種內部電路塊。這種開關通常采用邏輯驅動的pFET開關在穩壓電源之后實現。為了避免在提供峰值負載電流時失去穩壓，FET的導通電阻必須足夠低，以確保負載側電壓保持在規定的最小水平之上。

在3.3V及以下的低壓系統中，這種開關電阻問題更加復雜，因為低柵極驅動可能無法充分降低FET的導通電阻。低柵極閾值FET的成本正在下降。然而，在許多情況下，使用多個線性穩壓器提供了更好的方法。許多新型線性穩壓器具有邏輯電平關斷功能，可完全關斷穩壓器輸出，使器件能夠同時用作穩壓器和開關。

圖5描述了使用單個（圖5a）和多個（圖5b）穩壓器實現的便攜式無線產品。如圖所示，如果為每個輸出提供單獨的關斷控制，圖5b設計會更方便一些，但它也適用于單輸出器件。這種設計具有以下幾個優點：

它避免了電池和負載之間的兩個調整元件（當穩壓器后面是FET時就是這種情況）。

它在穩壓器/開關的輸出側提供穩壓。

穩壓器可以放置在更靠近其負載的位置，以獲得更好的動態性能。

功耗分布在兩個或多個器件之間。

（一）

（二）
圖5.此處顯示了便攜式無線產品中分布式電源和負載管理的兩種方法。（a） 單個穩壓器后接 pFET 負載開關需要低開關電阻。這可確保在提供峰值負載電流的同時實現穩定的輸出。（b） 兩個雙穩壓器IC執行相同的功能，但具有兩個優點：它們提供四個獨立穩壓的輸出，并將功耗分配給多個器件。

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