低压降线性稳压器

(图一)　低压降线性稳压器电路架构

其操作原理为，当输入电压Vin＞Vout时，藉由电晶体吸收输入、输出的电压差Vdropout＝Vin－Vout， 并藉由回授控制电路控制以提供平稳的输出电压。由于电晶体Q操作于FET饱和区（若导通元件为BJT则为主动区），其作用如同一个可变电阻。输出电压可近 似为：
　

(公式一)

适当选择R1、R2及Vref即可得到所要的输出电压。在正常操作范围内，无论输入电压如何变动，输出电压均能保持定 值，达到稳压的目的。

考量导通元件的选用，因为BJT有基极电流造成电流的浪费，且输出输入电压差也较高，近年来导通元件几乎都已改用 MOSFET。由于MOSFET几乎没有流过闸极的电流，因此不会有电流浪费，且输入输出电压差也较小，故较适合用于低压降线性稳压器的架构。而在MOS 当中，PMOS只需要低的闸极电压即可驱动输出元件，电路的复杂性比NMOS低，因此PMOS为目前低压降线性稳压器最常使用的输出元件。

输 入输出电压差（drop-out voltage）为线性稳压器极为重要的参数。所谓输入输出电压差，便是指当线性稳压器在正常操作范围时，输入电压与输出电压的最小差值。当输入输出电压 差的值小到某一程度，便称此种线性稳压器为低压降线性稳压器。

相较于一般线性稳压器，在同一输出电压的情形下，低压降线性稳压器所需的输 入电压较低，因此能够有较佳的转换效率。若是用于以电池作为输入电压源的应用场合，由于电池随着使用时间长，电池电压会慢慢降低，因此低压降线性稳压器提 供非常低的最小电压差，因此就算输入电压很低，它们也能正常工作，能有效延长电池的使用时间。

要判断稳压器对应的输入电压操作范围，必须 将稳压电路所要求的输入输出电压差列入考虑，输入电压必须大于目标输出电压以及最小电压差额定值的总和，也就是Vin＞Vout＋Vdropout。当输 入电压不能满足最小电压差的要求时，稳压器对负载的稳压能力会变得很差，输出电压Vout也会随着输入电压而改变，如(图二)所示。
　

(图二)　低压降线性稳压器输入输出电压转换曲线

考量电压转换效率，负载电流几乎等于输入端电压源供应的电流，因此效率与电压变化有更加{jd1}的关系，当输入电压与输出电 压的差值越大，则会导致电源转换效率下降，造成更多的能量损耗。
　

(图三)　低压降线性稳压器转换效率曲线

由转换效率曲线可知，目标输出电压为2V，当电池电压为3V时，转换效率约为60％，这表示进入LDO的电能有近40％ 的能量转换为热能的形式销耗掉，使得LDO产生可观的热量，而必须考虑散热问题。因此LDO的应用必须谨慎考虑，如果成本和体积是最重要的设计因素，那对 于电流需求少，输入到输出电压差又很小的应用，线性稳压器或许是{zj0}选择。

LDO的特点如下：

●电路架构简单、成本低， 佔用电路板面积小；
●输出电压对输入电压或负载的变化反应较迅速；
●能使用在不允许使用电感器的系统；
●能抑制输出电压的噪音和 涟波；
●只能作降压的转换；
●容易发热，温度问题有待解决；
●输入电压与输出电压的差值越大，效率越低。

电荷泵浦

(图四)　电荷泵浦电路架构

交换式转换器都必须使用开关电晶体做快速的充放电切换，因此会产生输出涟波，甚至发出电磁干扰。为了将涟波和电磁干扰减 至最少，可以在输出端外加线性稳压电路。

电荷泵浦的工作原理如下：

(1)当控制信号使开关S1、S2、S3与S4导通 时，因为信号反向的关系，S5、S6与S7均为截止，飞驰电容C1、C2与输入电压源并联并开始充电，Vin对三个电容个别充电至大约Vin的电压，此时 负载的电压xx由输出电容Cout供应。

(2)而当开关S5到S7导通时，则S1到S4为截止，三个被充电至Vin电压大小的飞驰电容改 以串连的形式连接，并持续对输出电容放电以维持稳定的输出电压，Vout{zg}可被充电至3倍Vin，即Vin+Vc1+Vc2的电压。

因应输入电压的变化，可透过元件内部的开关控制飞驰电容充放电，切换至不同的倍压模式。在不同模式下，输入电压能上升不 同的倍数，使转换后的电压不低于目标输出电压。这种因应不同输入的调变机制会造成效率曲线产生如同步阶般的变化。

电荷泵浦具有以下几点特 性：

(1)转换效率优于低压降线性稳压器；
(2)低EMI或输出涟波；
(3)输出/输入电压比值受限；
(4)价 位中等。

DC/DC转换器

(图五)　降压式转换器电路架构

(1)当电晶体Q导通时，二极管D1的阴极电压约等于输入电压Vin， 二极管逆偏形成断路，输入电压经Q对电感充电并供应电压至电容Cout及负载，此时电感电压VL＝Vin－Vout。

(2)当Q截止时， 电感的电压极性反转，使二极管顺偏导通，电容Cout及电感均对负载放电，此时电感的电压为VL＝－（VD1+Vout）。

由电感电压的伏特－秒平衡（Volt-second balance）关系可推得输入输出的电压关系：
　

(公式二)
　

其中T为电晶体的切换周期，D为电晶体的工作週期，由于0＜D＜1，此电路的输出电压Vout必会较输入电压Vin来得 小，故转换器可达到降压的功能。
　

(图六)　输出电压为10V的降压式转换器转换效率曲线　

升压式转换器（Boost Converter）的动作原理如下：
　

(图七)　升压式转换器电路架构

(1)电容Cout已被充电的情况下，当Q导通，二极管D1会被逆偏压造成断路，输入电压Vin对电感充电，此时电感电 压VL＝Vin，电容对负载放电。

(2)而当Q在截止状态时，电感极性反转使二极管顺偏压导通，并对电容Cout及负载做放电。此时电感 的电压为VL＝－（Vout＋VD1－Vin）。

同样由电感的伏特－秒平衡关系可得：
　

(公式三)

由于0＜D＜1，此电路的输出电压Vout必会较输入电压Vin来得大，故为升压式转换器。
降压式、升压式转换 器具有以下几点特性：

(1)价钱较高；
(2)效率{zg}，温度问题容易解决；
(3)高EMI与输出涟波；
(4)适 合操作于输出入电压差较大的情况；
(5)适用于高输出电流的应用。
　

(图八)　输出电压为10V的升压式转换器转换效率曲线

■SEPIC转换器
单端初级电感转换器（Single-end Primary Inductor Converter；SEPIC）转换电路的主要架构是由PWM控制器与一个变压器或两个独立电感组合而成，可产生定电压的稳定输出，普遍被应用在以电池 为主的可携式电子产品上。电池提供的电压高于目标电压时，转换电路进行降压；当输入电压下降至低于目标电压，系统可调整工作周期，使转换电路进行升压动 作。
　

(图九)　单端初级电感转换器电路架构

SEPIC电路的基本原理如下：

假设在SEPIC电路中的电感L1及L2在Q导通或截止时，均能维持伏 特－秒平衡的状态，则两电感的平均电压都为0。经由Vin、L1、C1和L2的迴路可知，电容C1的电压Vc1＝Vin。

(1)当电晶体Q导通时，使电感L1与电容C1的一端接地，二极管D1受到逆偏压而形成断路，输入电压Vin对电感L1 充电；C1电容上储存的电压则对L2充电，稳态时电容C1上的电压等于输入电压Vin，使L1、L2电压均为Vin。

(2)当电晶体Q截 止时，两电感的极性反向并将所储存的能量经由二极管D1释放至电容C1、Cout及负载。同样由于Vc1＝Vin的关系，使L1和L2的电压同为 －（VD1+Vout）。

由电感的伏特－秒平衡关系可得：
　

(公式四)

由上式可知，可藉由调整D来达到升压或降压的目的，若D＞0.5时Vout/Vin>1，为升压作用，反之 D＜0.5时为降压。
SEPIC具有以下几点特性：

(1)效率高，但略低于降压式、升压式转换器；
(2)高EMI及输出 涟波；
(3)需要搭配的元件数多，价格{zg}；
(4)具备升压与降压两种功能；
(5)可用于高输出电流的应用。