不要忽视用于高效电压调节的 LDO

登山者有多种方式可以到达斯诺登峰，斯诺登峰海拔 1,085 米，是威尔士的最高点，从峰顶可以看到五个国家、24 个县、29 个湖泊和 17 个岛屿。耐寒的人可以选择几条步行路径到达山顶，其中最简单但也是最长的是 7 公里的 Llanberis Path。作为一年一度的斯诺登竞赛的一部分，更顽强的人仍然可以穿越 Llanberis Path。（如果你希望赢得比赛，你需要发布少于 40 分钟的时间。）不出所料，大多数一日游者都会前往斯诺登山铁路，这是一条 7.6 公里、单轨、800 毫米轨距的铁路，与它并排行驶兰贝里斯路径。

在平均坡度为 12.7% 且路段坡度高达 18.2% 的情况下运行列车是一项艰巨的机械工程挑战。由于驱动轮和轨道之间缺乏附着力，传统火车难以应对超过 2% 的坡度。一种流行的解决方案是通过曲折上山来限制轨道坡度。缺点是土木工程成本急剧增加，乘客的旅程也更长。

由于在英国没有建造如此陡峭的铁路的先例，威尔士的工程师们求助于瑞士人，他们是世界上火车上山的专家。瑞士的解决方案既巧妙又简单；通过将齿轮连接到驱动轴上，驱动轴与运行轨道之间的齿条轨道啮合，将火车拉上斜坡。这种齿条和小齿轮的布置确保了无论坡度有多大，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 多年仍运行良好。

小心取舍

电子工程师面临的技术挑战与斯诺登铁路建设者所克服的技术挑战一样严峻。并且诱惑是寻找最新的技术来寻找答案。一个这样的例子是为物联网传感器或可穿戴设备等电池供电设备构建电源转换器。设计人员的主要考虑因素是选择可延长电池寿命的电源转换器，这样维护技术人员就不必过于频繁地更换传感器电池，或者消费者不会因频繁的智能手表充电而感到不便。

设计人员需要一个电源转换器来为产品的电子设备从给定的输入电源生成所需的输出电压和电流。它需要在稳态和瞬态条件下都这样做。在物联网传感器或可穿戴设备中，输入电源是电池，稳压器需要保持产品电子设备所需的恒定电压，即使电池放电且电压逐渐下降。

这个问题的一个明显答案是开关电压转换器，该技术首次出现于 1960 年代，但今天仍在继续发展。当开关电压转换器的内部晶体管“导通”并传导电流时，其电源路径上的压降最小。当晶体管“关闭”并阻断高压时，几乎没有电流通过其电源路径。因此，晶体管的性能就像一个理想的开关，并且在某些应用中消耗的开关稳压器的功率提升效率非常低，超过 90%。

但开关稳压器，就像曲折的铁轨一样，会带来权衡取舍。它们很复杂，需要外部反馈回路；它们占用大量空间，因为它们需要外围元件，例如储能电感器以及用于滤波电路的电容器和电阻器；它们是昂贵的; 晶体管开关会产生电噪声，干扰敏感的下游硅。      

把事情简单化

另一种选择是低压差线性稳压器(LDO)，该器件的历史可以追溯到 Robert Dobkin（当时是美国国家半导体公司的工程师，后来是凌力尔特公司的创始人兼首席技术官）于 1977 年在《电子设计》杂志上发表的一篇文章。开关稳压器和线性稳压器之间的一个关键区别可以从它们各自的名称中得出；前者在其核心采用开关晶体管，而后者则使用在其线性范围内工作的晶体管。

在线性稳压器中，晶体管作为可变电阻与输出负载串联工作。该稳压器采用集成反馈环路，使用误差放大器通过采样电阻网络感测输出电压，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，但在其拓扑结构上进行了重要调整。与传统的线性稳压器不同，LDO 使用集电极开路或漏极拓扑结构，使输入电压到输出电压的最小压降（同时仍确保正常运行）与晶体管两端的饱和电压一样低，而且安全开销很小。 

由于效率在电池供电设备中的电源转换器的属性列表中名列前茅，因此必须注意充分利用这种“低压差电压”。LDO 总是会消耗一些功率以调节输出电压，并且由于该设备本质上是一个可变电阻器，因此其功耗等于设备两端的电压差乘以其输出电流。其效率是输出电压/输入电压之比。工程师的部分工作就是使电池输入电压尽可能接近所需的输出，以充分利用功率预算。例如，对于给定的电流和 3 伏的电池输入电压，提供 2.5 伏的 LDO 的效率将比提供 2 伏的 LDO 高出约 16%。由于其拓扑结构，LDO 的输入和输出之间的差异将低于线性稳压器。如果工程师仔细选择，LDO 电源转换器的效率可以达到 90%，接近开关稳压器的效率，但没有该设备的复杂性、费用和电气噪声挑战。  

LDO 不太适合大电流应用，因为对于给定的压降，功耗会随着电流而上升。而且这些设备无法提升电压。正是对于这些应用，开关电源才真正发挥作用。但对于空间受限的电池供电产品，不起眼的 LDO（如齿轨铁路）是解决具有挑战性的工程问题的简单可靠的解决方案。

Steven Keeping 在英国布莱顿大学获得工学士（荣誉）学位，之后在 Eurotherm 和 BOC 的电子部门工作了七年。随后，他加入了《Electronic Production》杂志，随后在电子制造、测试和设计方面担任了 13 年的高级编辑和出版职务，其中包括英国和澳大利亚的 Trinity Mirror、CMP 和 RBI 的《电子新动态》和《澳大利亚电子工程》。2006 年，史蒂文成为一名专攻电子领域的自由撰稿人。他常驻悉尼。

审核编辑 黄宇