隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，特別是便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，促使貼片式電源IC有了長足的進(jìn)步。貼片式電源IC絕不僅僅是封裝形式的改變，而是不斷地降低自身的損耗以提高效率，并與微處理器μP或微控制器μC結(jié)合組成電源管理系統(tǒng)以達(dá)到最大限度節(jié)能的目的。例如，采用CMOS工藝開發(fā)了微功耗、超微功耗電源IC；開發(fā)出低壓差（LDO）器件，提高了線性穩(wěn)壓器的效率；采用同步整流技術(shù)使DC/DC變換器效率提高到97%，精度達(dá)到±（1%～2%）。貼片式電源IC封裝尺寸小、外圍元件少工作頻率高，電源所占印制板面積很小。例如，振蕩器頻率從幾十千赫提高到2MHz以上，使濾波元件尺寸大為減??；電荷泵式電源的頻率已高達(dá)2MHz～3MHz，可采用小尺寸貼片式陶瓷電容代替鋁或鉭電解電容。在使用上更為靈活。例如，線性固定輸出穩(wěn)壓器也可外接兩個電阻使輸出電壓能由用戶設(shè)定；DC/DC變換器也可由用戶來設(shè)定PWM或PFM工作模式，達(dá)到在輕、重負(fù)載時都有90%以上的效率等。這種例子真是不勝枚舉。新一代電源IC效率高、功能強(qiáng)、性能好，更加安全可靠，尺寸也更小。
本文著重介紹穩(wěn)壓電源的基本知識（工作原理、主要性能指標(biāo)、功能）。在今年的增刊中將介紹各種較實(shí)用的貼片電源IC，可供設(shè)計(jì)、開發(fā)人員及維修人員參考、選用。
LDO的意義
“LDO”是英文Low Dropout的縮寫，意為“低壓差”，即（VIN-VOUT）很小。它是線性穩(wěn)壓IC的一個重要性能指標(biāo)。為此，人們已把低壓差線性穩(wěn)壓器簡稱為“LDO”。要了解LDO的意義，先要了解其工作原理及轉(zhuǎn)換效率。
線性穩(wěn)壓器是通過輸出電壓反饋、經(jīng)誤差放大器等組成的控制電路來控制調(diào)整管的管壓降VDO（即壓差）來達(dá)到穩(wěn)壓的目的，如圖1所示。它的特點(diǎn)是：VIN必須大于VOUT；調(diào)整管工作在線性區(qū)（線性穩(wěn)壓器從此得名）。無論輸入電壓的變動或負(fù)載電流的變化引起輸出電壓變動時，通過反饋及控制電路，改變VDO的大小，使輸出電壓VOUT基本不變。
線性穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換效率η為：
η=PL/（PL+PDO+PG）×100%
式中PL為輸出功率，PL=VOUT×IO；PDO為調(diào)整管上的損耗功率，PDO=（VIN-VOUT）×IO；PG為地電流IG造成的損耗功率，PG=VIN×IG。
以老產(chǎn)品7805為例。已知VOUT=5V，IOmax=1.5A，IG=8mA，要求壓差大于3V，即VIN≥8V。若忽略IG的損耗，則最高效率η為62.5%。若輸入電壓為9V時，則效率降到55%左右。
降低壓差的結(jié)構(gòu)
可以通過采用不同的結(jié)構(gòu)來降低壓差，如圖2所示。圖2（a）為老產(chǎn)品，VDO=2.5～3V；圖2（b）中，VDO=1.2～1.5V；圖2（c）中，VDO=0.3～0.6V；圖2（d）采用MOSFET作調(diào)整管，其VDO=RDS（ON）×IO，現(xiàn)在RDS（ON）已能做到幾十至幾百毫歐，所以壓差極小。另外MOSFET不需要較大的驅(qū)動電源，IG相應(yīng)減小，因而效率η可以進(jìn)一步提高。
如果將7805的3V壓差減小到0.6V，則效率η為88%，這就是LDO的意義！
前幾年，輸出幾百毫安的LDO可做到每輸出100mA時，壓差為100mV左右，而近年來，已能做到每100mA輸出，其壓差僅為40～50mV的水平，個別可達(dá)23mV/100mA。
關(guān)閉電源控制與電源管理
三端穩(wěn)壓電源IC僅有穩(wěn)壓功能，而新型電源IC（不管哪種類型）一般都有關(guān)閉電源控制端。在關(guān)閉電源狀態(tài)時，耗電約1μA。在多個電源IC組成的電源系統(tǒng)中，由微處理器μP或微控制器μC控制，可實(shí)現(xiàn)有序地關(guān)閉一些電源IC而使部分電路停止工作，從而大大地節(jié)省電能，延長電池的壽命。
圖3是一種電源管理框圖。每個電源IC有一個關(guān)閉控制端SHDN————（圖SD——中用表示），由μP或μC加低電平（或高電平）使電源IC關(guān)閉（或工作）。
有些電源IC還設(shè)有電源工作狀態(tài)信號輸出。當(dāng)電源工作正常時，輸出高電平；當(dāng)電源有故障或輸出電壓低于正常電壓5%以上時，輸出低電平。此信號可輸入μP、μC或利用LED指示電路作故障或輸出電壓過低報警。
為什么開關(guān)式穩(wěn)壓器效率高
開關(guān)式穩(wěn)壓器效率高的原因，可以用降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器為例加以說明（一般稱為降壓式DC/DC變換器），如圖4（a）所示。開關(guān)管導(dǎo)通時〔圖4（b）〕，相當(dāng)于開關(guān)閉合，VIN經(jīng)L向C充電，在電感器L上儲能。開關(guān)管截止時〔圖4（c）〕，相當(dāng)于開關(guān)斷開，儲存在電感器L中的能量釋放，通過電容器C及二極管VD形成回路。輸出電壓經(jīng)反饋到控制電路。若負(fù)載電流變化引起輸出電壓變動時，控制器通過開關(guān)管改變脈沖的寬度（PWM）或改變脈沖的頻率（PFM），使輸出電壓保持基本不變。電感器上的電流IL的波形如圖4（d）所示，圖中虛線表示輸出的平均電流。
如上所述，開關(guān)電源IC的開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)，所以開關(guān)管上的損耗很小，因此效率就很高，一般可達(dá)80%～93%。
開關(guān)式穩(wěn)壓器的特點(diǎn)
開關(guān)式穩(wěn)壓器不僅效率高，并且可以組成降壓式（VIN>VOUT）、升壓式（VIN<VOUT）及電壓反轉(zhuǎn)式（VOUT=-VIN），使用比較靈活。特別是在便攜式應(yīng)用中，用1～2節(jié)電池可以獲得多種電壓。另外，它外部僅3個元件：L、VD和C（采用同步整流時可省掉VD），電路簡單，所占印制板面積?。惠斎腚妷篤IN有較大變化時不影響開關(guān)管的損耗，所以特別適用于VIN與VOUT差值很大的場合。它的缺點(diǎn)是紋波電壓（一種噪聲電壓）較大，一般有幾十毫伏到上百毫伏（低噪聲的也有幾毫伏），而線性穩(wěn)壓器僅幾十到上百微伏，相差約千倍！
調(diào)節(jié)器與控制器
調(diào)節(jié)器是Regulator的譯名，但人們習(xí)慣上把調(diào)節(jié)器稱為穩(wěn)壓器。調(diào)節(jié)器與控制器的差別是：若調(diào)整管或開關(guān)管做在IC上稱為調(diào)節(jié)器；若調(diào)整管或開關(guān)管不做在IC上則稱為控制器。
控制器的優(yōu)點(diǎn)是：用戶可以根據(jù)所需輸出電流的大小選擇不同的調(diào)整管或開關(guān)管，應(yīng)用較為靈活；調(diào)整管或開關(guān)管屬功率器件，會發(fā)熱，與控制電路分開可使控制電路免受高溫影響；另外，硅片面積小，工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
電荷泵式電源
電荷泵式電源也是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，即VOUT=-VIN。另外，不同的接法也可轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。
電荷泵變換器的工作原理如圖5所示。振蕩器輸出50%占空比的脈沖控制模擬開關(guān)S1及S2；經(jīng)反相器后控制模擬開關(guān)S3及S4。可以看出，S1、S2閉合時，S3、S4斷開；S1、S2斷開時，S3、S4閉合。
當(dāng)S1、S2閉合，S3、S4斷開時，輸入的正電壓VIN向C1充電（上正下負(fù)）；當(dāng)S3、S4閉合，S1、S2斷開時，C1向C2放電（上正下負(fù)）。當(dāng)振蕩器以較高的頻率控制模擬開關(guān)，使VOUT=-VIN。
電荷泵電路由電容上的電荷轉(zhuǎn)移而得名。它的特點(diǎn)是電壓轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)98%～99%，但不穩(wěn)壓，并且有較大的紋波電壓輸出。近年來經(jīng)過不斷改進(jìn)，工作頻率已從10kHz（ICL7660）提高到幾百千赫，有的已高達(dá)2MHz～3MHz。頻率增高使泵電容容量減小，輸出電流加大，輸出電阻減小，紋波電壓減小。
編后： “SMD連載”系列文章從今年第7期開始至此已全部刊出，由于篇幅的限制，我們更多的是介紹SMD的基本常識和使用時的注意事項(xiàng)（即“應(yīng)用指南”部分的內(nèi)容），而對在產(chǎn)品手冊和網(wǎng)絡(luò)上能查到的具體參數(shù)和資料則作了刪節(jié)。為此我們將貼片式二極管、三極管、場效應(yīng)管和電源IC的相關(guān)資料重新整理放到了本刊今年的增刊中，共約20頁，其中還包括溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的資料。詳情請參閱本期第1頁的介紹。
