贴片式稳压电源IC的识别与使用

随着半导体工艺技术的不断改进，特别是便携式电子产品的迅猛发展，促使贴片式电源IC有了长足的进步。贴片式电源IC绝不仅仅是封装形式的改变，而是不断地降低自身的损耗以提高效率，并与微处理器μP或微控制器μC结合组成电源管理系统以达到最大限度节能的目的。例如，采用CMOS工艺开发了微功耗、超微功耗电源IC；开发出低压差（LDO）器件，提高了线性稳压器的效率；采用同步整流技术使DC/DC变换器效率提高到97%，精度达到±（1%～2%）。贴片式电源IC封装尺寸小、外围元件少工作频率高，电源所占印制板面积很小。例如，振荡器频率从几十千赫提高到2MHz以上，使滤波元件尺寸大为减小；电荷泵式电源的频率已高达2MHz～3MHz，可采用小尺寸贴片式陶瓷电容代替铝或钽电解电容。在使用上更为灵活。例如，线性固定输出稳压器也可外接两个电阻使输出电压能由用户设定；DC/DC变换器也可由用户来设定PWM或PFM工作模式，达到在轻、重负载时都有90%以上的效率等。这种例子真是不胜枚举。新一代电源IC效率高、功能强、性能好，更加安全可靠，尺寸也更小。    本文着重介绍稳压电源的基本知识（工作原理、主要性能指标、功能）。在今年的增刊中将介绍各种较实用的贴片电源IC，可供设计、开发人员及维修人员参考、选用。

LDO的意义

“LDO”是英文Low Dropout的缩写，意为“低压差”，即（VIN-VOUT）很小。它是线性稳压IC的一个重要性能指标。为此，人们已把低压差线性稳压器简称为“LDO”。要了解LDO的意义，先要了解其工作原理及转换效率。

线性稳压器是通过输出电压反馈、经误差放大器等组成的控制电路来控制调整管的管压降VDO（即压差）来达到稳压的目的，如图1所示。它的特点是：VIN必须大于VOUT；调整管工作在线性区（线性稳压器从此得名）。无论输入电压的变动或负载电流的变化引起输出电压变动时，通过反馈及控制电路，改变VDO的大小，使输出电压VOUT基本不变。

线性稳压电源的转换效率η为：

η=PL/（PL+PDO+PG）×100%

式中PL为输出功率，PL=VOUT×IO；PDO为调整管上的损耗功率，PDO=（VIN-VOUT）×IO；PG为地电流IG造成的损耗功率，PG=VIN×IG。

以老产品7805为例。已知VOUT=5V，IOmax=1.5A，IG=8mA，要求压差大于3V，即VIN≥8V。若忽略IG的损耗，则最高效率η为62.5%。若输入电压为9V时，则效率降到55%左右。

降低压差的结构

可以通过采用不同的结构来降低压差，如图2所示。图2（a）为老产品，VDO=2.5～3V；图2（b）中，VDO=1.2～1.5V；图2（c）中，VDO=0.3～0.6V；图2（d）采用MOSFET作调整管，其VDO=RDS（ON）×IO，现在RDS（ON）已能做到几十至几百毫欧，所以压差极小。另外MOSFET不需要较大的驱动电源，IG相应减小，因而效率η可以进一步提高。

如果将7805的3V压差减小到0.6V，则效率η为88%，这就是LDO的意义！

前几年，输出几百毫安的LDO可做到每输出100mA时，压差为100mV左右，而近年来，已能做到每100mA输出，其压差仅为40～50mV的水平，个别可达23mV/100mA。

关闭电源控制与电源管理

三端稳压电源IC仅有稳压功能，而新型电源IC（不管哪种类型）一般都有关闭电源控制端。在关闭电源状态时，耗电约1μA。在多个电源IC组成的电源系统中，由微处理器μP或微控制器μC控制，可实现有序地关闭一些电源IC而使部分电路停止工作，从而大大地节省电能，延长电池的寿命。

图3是一种电源管理框图。每个电源IC有一个关闭控制端SHDN————（图SD——中用表示），由μP或μC加低电平（或高电平）使电源IC关闭（或工作）。

有些电源IC还设有电源工作状态信号输出。当电源工作正常时，输出高电平；当电源有故障或输出电压低于正常电压5%以上时，输出低电平。此信号可输入μP、μC或利用LED指示电路作故障或输出电压过低报警。

为什么开关式稳压器效率高

开关式稳压器效率高的原因，可以用降压式开关稳压器为例加以说明（一般称为降压式DC/DC变换器），如图4（a）所示。开关管导通时〔图4（b）〕，相当于开关闭合，VIN经L向C充电，在电感器L上储能。开关管截止时〔图4（c）〕，相当于开关断开，储存在电感器L中的能量释放，通过电容器C及二极管VD形成回路。输出电压经反馈到控制电路。若负载电流变化引起输出电压变动时，控制器通过开关管改变脉冲的宽度（PWM）或改变脉冲的频率（PFM），使输出电压保持基本不变。电感器上的电流IL的波形如图4（d）所示，图中虚线表示输出的平均电流。

如上所述，开关电源IC的开关管工作于开关状态，所以开关管上的损耗很小，因此效率就很高，一般可达80%～93%。

开关式稳压器的特点

开关式稳压器不仅效率高，并且可以组成降压式（VIN>VOUT）、升压式（VIN

调节器与控制器

调节器是Regulator的译名，但人们习惯上把调节器称为稳压器。调节器与控制器的差别是：若调整管或开关管做在IC上称为调节器；若调整管或开关管不做在IC上则称为控制器。

控制器的优点是：用户可以根据所需输出电流的大小选择不同的调整管或开关管，应用较为灵活；调整管或开关管属功率器件，会发热，与控制电路分开可使控制电路免受高温影响；另外，硅片面积小，工艺简单，生产成本低。

电荷泵式电源

电荷泵式电源也是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT=-VIN。另外，不同的接法也可转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。

电荷泵变换器的工作原理如图5所示。振荡器输出50%占空比的脉冲控制模拟开关S1及S2；经反相器后控制模拟开关S3及S4。可以看出，S1、S2闭合时，S3、S4断开；S1、S2断开时，S3、S4闭合。

当S1、S2闭合，S3、S4断开时，输入的正电压VIN向C1充电（上正下负）；当S3、S4闭合，S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负）。当振荡器以较高的频率控制模拟开关，使VOUT=-VIN。

电荷泵电路由电容上的电荷转移而得名。它的特点是电压转换效率很高，可达98%～99%，但不稳压，并且有较大的纹波电压输出。近年来经过不断改进，工作频率已从10kHz（ICL7660）提高到几百千赫，有的已高达2MHz～3MHz。频率增高使泵电容容量减小，输出电流加大，输出电阻减小，纹波电压减小。

编后： “SMD连载”系列文章从今年第7期开始至此已全部刊出，由于篇幅的限制，我们更多的是介绍SMD的基本常识和使用时的注意事项（即“应用指南”部分的内容），而对在产品手册和网络上能查到的具体参数和资料则作了删节。为此我们将贴片式二极管、三极管、场效应管和电源IC的相关资料重新整理放到了本刊今年的增刊中，共约20页，其中还包括温度补偿晶体振荡器的资料。详情请参阅本期第1页的介绍。