高效稳压，LDO不容小觑
发布于2022-07-08
登山者可以通过多种方式到达威尔士的最高点——海拔1085米的斯诺登山顶，俯瞰5个构成国、地区和国家、24个郡、29个湖泊和17个岛屿。对于徒步爱好者，上山的路线有很多条，其中难度最低但也最长的是7公里的兰贝里斯 (Llanberis) 步道，这也是一年一度的Snowdon Race举办的地方（如果想要赢得比赛，就得在40分钟内完成一个来回）。而大多数“到此一游”的人们，通常都会选择斯诺登登山铁路 (Snowdon Mountain Railway)，这是一条7.6公里长，与兰贝里斯步道并行的800毫米轨距单轨铁路线。
要让列车爬上平均坡度12.7%、局部可达18.2%的陡坡，显然是一项艰巨的机械工程挑战。传统列车很难应对坡度大于2%的斜坡，毕竟驱动轮和钢轨之间的附着力是有限的。为此，常见的解决方案是让线路以“之”字形方式上山，从而限制轨道坡度；这种做法的缺点，就是显著增加了土木工程成本和全程所花费的时间。
要建造如此陡峭的铁路，这在英国没有任何先例。于是，威尔士的工程师们转而求助瑞士人，他们是建造登山铁路的行家。瑞士人的解决方案既巧妙又简单：在驱动轴上安装一个齿轮，同时在两条钢轨之间添置一根齿条轨道，两者啮合就可以将列车拉上陡坡。这种齿条加齿轮的配置，确保了无论坡度多大，从动轮都不会打滑。这是一种廉价、有效且维护成本低的解决方案，自首次安装以来120多年依然运行良好。
小心利弊权衡
电子工程师面临的技术挑战，与斯诺登登山铁路的建设者们所克服的挑战一样艰巨，而此时摆在面前的诱惑，就是从最新技术中寻找解答。其中一个实例，就是为电池供电设备（如物联网传感器和可穿戴设备）构建电源转换器。设计人员主要考虑的方面，是希望电源转换器能够延长电池续航时间，这样维护技术人员就不需要频繁更换传感器电池，消费者也不会因为智能手表时不时就要充电而感到不便。
符合设计人员要求的电源转换器，能够将给定的输入电源转换为产品中的电子器件所需的输出电压和电流，并且在稳态和瞬态条件下都能正常工作。在物联网传感器或可穿戴设备中，输入电源是电池，而稳压器的任务就是维持产品的电子器件所需的恒定电压，即使在电池放电、电压下降的情况下。
要解决这一问题，开关电压转换器是一个显而易见的答案。这项技术早在1960年代就已经出现，时至今日依然在发展。当开关电压转换器的内部晶体管处于“导通”状态并传导电流时，其电源路径上的电压降是最小的；而当晶体管处于“关断”状态并阻断高电压时，其电源路径上几乎不会有电流通过。因此，晶体管就好比一个理想的开关，消耗的功率非常小，在某些应用中，开关稳压器的效率可达90%以上。
然而，开关稳压器就像之字形铁路线一样，存在利弊权衡的问题。它是一种复杂的器件，离不开外部反馈回路；它会占用大量空间，因为它需要外部元件，如储能电感器，以及用于滤波电路的电容器和电阻器；它的价格昂贵；而且晶体管开关会产生电噪声，从而干扰敏感的下游硅器件。
简洁为上
另一种选择是低压差线性稳压器 (LDO)，这种器件可以追溯到1977年Robert Dobkin（时为National Semiconductor工程师，后成为Linear Technology创始人兼CTO）发表在《Electronic Design》（电子设计）上的一篇文章。开关稳压器和线性稳压器的一大关键区别就体现在它们的名称中：前者将开关晶体管作为核心机制，后者则采用在其线性范围内工作的晶体管。
在线性稳压器中，晶体管作为一个可变电阻与输出负载串联工作。此类稳压器采用集成反馈回路，使用误差放大器通过采样电阻网络检测输出电压，然后将其与参考电压进行比较。
LDO稳压器的工作方式与传统线性稳压器相同，但其拓扑结构进行了重要调整：LDO使用开路集电极或漏极拓扑结构，在确保正常工作的前提下，使得输入到输出电压的最小压降能够低至晶体管两端的饱和电压，再加上少量安全开销。
由于效率是电池供电设备中电源转换器的重要属性，因而必须注意充分利用这种“低压差电压”。为了调节输出电压，LDO总是会消耗一些功率；由于此类器件本质上是一个可变电阻，其功率耗散等于器件两端的电压差乘以其输出电流，其效率就是输出电压/输入电压的比值。于是，工程师的部分工作，就变成了尽可能使电池输入电压接近所需的输出，从而充分利用功率预算。例如，对于给定的电流和3V的电池输入电压，提供2.5V电压的LDO，其效率会比提供2V电压的LDO高约16%。由于其拓扑结构的缘故，LDO的输入和输出之差低于线性稳压器的输入和输出之差。如果工程师仔细选择的话，LDO电源转换器的效率可以接近90%，这一数值已经逼近开关稳压器的效率，但不会带来后者的复杂性、费用和电噪声挑战。
LDO不太适合大电流应用，因为对于给定的电压降，功率耗散会随着电流增大而攀升，而且这些器件无法提升电压。这些应用才是开关电源真正发挥作用的地方。对于空间受限的电池供电产品而言，小小的LDO就如同齿轨铁路那样，是解决艰巨工程问题的一种简单又可靠的解决方案。
作者简介
Steven Keeping曾获得英国布莱顿大学的BEng（荣誉学士）学位。Steven先在Eurotherm和BOC的电子部门工作了七年，然后又加入了《Electronic Production》杂志，担任电子制造、测试和设计领域的高级编辑以及出版方面的工作长达13年。Steven还曾在英国和澳大利亚的三一镜报、CMP和RBI工作过，负责《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》杂志的相关工作。2006年，Steven成为了专攻电子行业的独立记者。他目前居住在悉尼。