这篇文章的类似版本出现在1996年8月的《电子产品》杂志上。

介绍

稳压器设计的进步帮助便携式电子产品成为电子工业中增长最快的部分。市场对低成本、长电池寿命和小尺寸的需求正在改变和重新安排电源的设计优先级。其结果是对最新一代电源ic的规格进行了全面重写。

令人惊讶的是，开关模式和线性稳压器都参与了这种转变。尽管在便携式产品中主要使用开关模式稳压器，但线性稳压器仍然是一个可行的竞争者。在工作电流、降压、噪声和封装方面的进步使得现代线性稳压器与过去大多数设计中使用的LM309s和µA7805s有很大不同。

在为便携式产品设计电源时，必须提出三个非常重要的问题:线性稳压器是否可以在我的设计中工作?线性稳压器(相对于开关类型)会限制我的电池寿命吗?哪些监管机构规格至关重要?这些问题将在下面的讨论中进行探讨，重点是便携式和手持应用程序。讨论的问题包括开关模式和线性强度的比较，对电池寿命重要的参数，何时不应使用线性稳压器，电池类型如何影响您的设计决策，以及线性稳压器的特性如何帮助或阻碍便携式设计。

线性稳压器与开关稳压器

在处理用于便携式设计的线性稳压器的微妙之处之前，值得对线性和开关类型进行比较。在某些情况下，开关稳压器可以在便携式设计中提供主要好处。例如，如果一个高性能的开关模式转换器显示出90%的效率(将电池功率转换为系统功率)，那么线性设计不太可能延长电池寿命，除非电池和线性稳压器之间的电压差很小。

此外，线性稳压器只能将电压降至较低的水平。如果系统需要电池无法提供的电压，例如显示器的高电压或电路的负电压，则系统通常需要开关稳压器。表1概述了线性和开关模式稳压器之间的基本区别。

一般来说，在简单性和成本方面，使用线性调节器而不是开关有很大的优势，但效率却不是。然而，测量效率对电池寿命的实际影响可能具有欺骗性。对于要讨论的许多电池配置，当考虑到电池的整个放电周期时，线性调节器的效率是相当足够的。

对于非常低功耗的设计，即使是很大的效率损失也是可以接受的。例如，在手持终端中，如果开关电源可以将电池寿命从10天增加到15天，那么它的成本是值得的。然而，对于一个小型的组织者来说，仅仅为了将电池寿命从4个月增加到6个月而花费同样的费用可能是不合理的。

结合线性和开关模式稳压器是产生多个电源电压的常用技术(图1)。线性稳压器(图1a)将电池电压转换为逻辑电源，一个或多个开关产生电路和液晶显示器(LCD)偏置所需的其他电压。另一种不同的方法(图1b)通过线性和开关模式稳压器的组合实现噪声和纹波抑制。由于这些调节器所消耗的功率不是便携式系统总负载的主要部分，因此它们对电池寿命的影响是最小的。

线性调节器是否足够?

在大多数设计中，首选线性稳压器。与开关稳压器相比，它们成本更低，外部元件更少，电路复杂性更低。然而，线性稳压器有缺点:缩短电池寿命，更高的电池计数，更大的降电压和热量。尽管便携设备并非唯一的问题，但这些问题需要与交流设备相关的解决方案不同。

在确定调节器类型时，细胞计数通常是一个不灵活的问题(反之亦然)。例如，线性稳压器需要足够数量的串联电池来产生始终超过稳压器输出电压的输入。对于-3.3V输出，这意味着使用3个或更多的电池(每个大约1V到1.5V)用于碱性，NiCd或NiMH电池。锂电池需要更少的电池，因为锂电池具有更高的电压:通常在2.5V到4.2V之间。对于5V输出，至少需要5个电池来确保足够的稳压器输入，因为电池电压在放电过程中会下降。对于12V输出，单元数变得如此之高，以至于开关模式升压转换器通常比线性稳压器更有意义。

从电压净空和总能量的角度来看，当电池数量合理时，线性稳压器是最合适的。如果只有2个单元有足够的功率支持负载足够的时间，那么通过堆叠5或6个单元来满足线性稳压器的输入要求是不太明智的。在这种情况下，开关模式升压转换器的额外成本可以通过较低的电池数量来证明，特别是如果电池是可充电的。

如果电池的终端电压低于期望的最小值，当电池接近放电结束时，线性稳压器不能提取所有可用的能量。然而，开关调节器可以根据需要提高电池电压。但是，为了避免开关的费用，设计人员通常选择具有最低可用降压的线性稳压器。(差值是输入和输出电压之间允许的最小差值，它发生在失去调节时。)线性稳压器的压差电压变化很大，即使在制造商标记为低压差类型的稳压器中(表2)。

用真正的电池生活

设计便携式电源的一个好的出发点是考虑使用实际电池获得的结果，而不是在稳压器输入处的理想电源。大多数电池的基本特性是非零输出电阻和与电池放电相关的电压下降(图2)。这种放电曲线有时有利于线性调节，因为功率损失是输入输出电压差的函数。

对于刚充电的电池来说，电压很高，效率很差，但随着电池电压的下降，效率实际上会提高(图3)。在降差时，当V(IN)接近等于V(OUT)时，线性调节器的效率几乎是100%!这种行为与开关模式稳压器的典型行为相反。然而，重要的问题是，在电池的大部分寿命中，什么效率水平是普遍存在的，这种效率状况对电池寿命有什么影响?如果最低效率持续时间较短，则对电池寿命的影响可能不大。

对于图3的曲线，作为一个缺点，当调节器达到dropout时，20%的能量(25小时中的5小时)仍留在电池中。因此，85% × 80% = 68%的电池能耗对于低成本设计来说还是不错的。由曲线可知，若能将系统运行电压降至3.0V，将电池利用率提高到85% × 90% = 76.5%，则可再运行2.5小时。

比提高效率更好

在便携式设计中，提高效率最便宜的方法是降低负载电流，这增加了低成本线性稳压器完成这项工作的可能性。虽然很明显，但这些好处对实际效率没有影响，实际效率(根据定义)是“输出功率除以输入功率”。尽管如此，减少负载电流比尖端的调节器设计更能延长电池寿命。

考虑到将电源效率提高10%的成本，然后考虑将负载降低10%或更多的方法-通过降低功耗ic，增加上拉电阻，或通过降低工作电压进行更严格的电源管理。通常，把钱花在负荷上比花在监管上更好。降低线性调节系统的输出电压说明了这一点。在大多数情况下，电池寿命会延长，因为ic消耗的电流更少，但效率实际上会下降([(V(OUT) × I(OUT))/(V(In) × I(In))]降低)。

为什么要关注静态电流?

电池设计中另一个关键的稳压器规格是静态电流，也称为“工作电流”或“接地电流”。这个电流永远不会到达负载;它从电池流出，为调节器本身供电。该规格的重要性与静态电流相对于负载电流的大小成正比。如果负载电流为350mA，静态电流为1mA，则静态对低效率的贡献仅为-0.28%。然而，对于1mA负载，损耗百分比要糟糕得多:-50%。

负载电流通常变化很大，因此静态电流对电池寿命的净影响取决于这两种情况的结合。问题是，哪个负载发生的时间最长?如果负载电流在大多数时间都很小，那么必须确保低静态电流以实现高效率。这个警告在那些从未真正关闭的设计中尤其重要。仪器可以有一个开/关按钮，虽然“关”可能只代表睡眠模式或待机状态，其中系统电源是有效的，但负载是以微安为单位的。表3展示了静态电流如何影响三种器件的效率:一个通常用于交流线路供电设计的普通低功耗稳压器(LM78L05)，以及两个针对低工作电流优化的稳压器(MAX8863和MAX882)。

基于pnp和fet晶体管的低压降(LDO)稳压器(见表2的第3列和第4列)在降压期间的静态电流行为是一个微妙但重要的区别。fet栅极几乎不吸收电流，因此fet稳压器在降压期间没有静态上升。然而，在pnp设计中，静态电流上升，因为稳压器通过将基极电流降至地来努力维持其输出电压。对于正常情况下的应用，而不是“故障”情况(如将3个碱性电池调节到3.3V)，这个额外的静态电流可能是显著的。

如果系统ic允许±10%的电源电压容差，则在输出降至3.0V时保持工作是有用的，每个电池的耗电量接近1V。基于pnp晶体管的器件往往会在这段时间内吸收更多的静态电流，从而加速电池的消耗。然而，基于fet的稳压器的静态电流保持恒定。

热

在便携式系统中，线性调节器的一个主要障碍是难以从小型外壳散发热量。热问题对于任何线性调节电源都很重要，但在便携式设备(尤其是手持设备)中，这个问题变得非常严重。虽然集成电路只能处理有限的热量，但新的表面贴装封装正在提供帮助。5引脚SOT23封装的额定功率超过500mW，一些外露焊盘封装的额定功率接近2W(表4)。

新的软件包不断推出，所以最好监控制造商的产品。图4定义了一个0.5A表面贴装器件的可用平均电流作为输入电压的函数。同样，负载电流随时间的分布可以作为散热的指南。如果负载电流峰值足够短，可以热集成，则低功率封装就足够了。

负载管理

为了减少电池消耗，许多便携式系统只在需要时才打开其各种内部电路块。这种开关通常是通过逻辑驱动的pet开关在稳压电源后实现的。为了避免在输出峰值负载电流时失去调节，fet的导通电阻必须足够低，以确保负载侧电压保持在规定的最低水平以上。

在3.3V及以下的低压系统中，这个开关电阻问题更加复杂，因为低栅极驱动可能无法充分减小FET的导通电阻。低栅极阈值场效应管的成本正在下降。然而，在许多情况下，使用多个线性稳压器提供了更好的方法。许多新的线性稳压器具有逻辑级关断能力，可以完全关闭稳压器输出，使设备既可以作为稳压器又可以作为开关。

图5描述了一个使用单个(图5a)和多个(图5b)调节器实现的便携式无线产品。如果如图所示为每个输出提供单独的关闭控制，则图5b的设计会更方便一些，但它也适用于单输出设备。这种设计有几个优点:

• 它避免了电池和负载之间的两个通道元件(就像稳压器后面跟着fet的情况一样)。

• 它在稳压器/开关的输出端提供调节。

• 调节器可以放置在离负载更近的位置，以获得更好的动态性能。

• 功耗由两个或多个设备分摊。