由于各种电子系统所需的供应电压不尽相同，供应电压的转换一直是十分重要的研究课题。电压转换的方式可大致分为两种：一种为切换式（switch-mode）稳压器，另一种则为线性稳压器（linear regulator）。一般而言，线性稳压器的优点是其输出电压对输入电压或负载的变化反应较迅速、输出电压的涟波与杂讯较低、电路架构较简单、体积较小、价格较为低廉，而主要的缺点在于转换效率较低，且只能作降压的转换。近年来低压降线性稳压器（low drop-out linear regulator，简称LDO）更因为其转换效率的提升，加上其小体积、低杂讯的特性，成为小功率降压与稳压电路的主流。在各式由电池供应电源的可携式系统以及通讯相关的电子产品上，均被大量地使用。

系统架构

一般线性稳压器的系统如(图一)所示，主要由输出元件（pass element）、分压电路R1与R2、误差放大器EA与参考电压VREF构成一负回授系统。假设此负回授系统稳定且开环路增益（open loop gain）远大于１，则输出电压可近似为：

《公式一 》

因为适当地选择R1、R2即可得到所要的输出电压。但此种架构输出电压一定会小于输入电压，故只能用于降压的转换。而转换电压的效率可表示成：

《公式二 》

其中ILoad为负载电流，IQ为系统运作所需消耗的静态电流，Vout为输出电压，Vin为输入电压。由上式可知，当输入电压与输出电压的差值（Vin-Vout）越小，转换效率越高。

《图一 线性稳压器基本架构》

输入输出电压差（drop-out voltage）为线性稳压器一极为重要的参数。在固定电流负载下，输入电压输出电压的关系如(图二)所示。所谓输入输出电压差，便是指当线性稳压器能正常操作时，输入电压与输出电压的最小差值，即图二中的Vdropout。当输入输出电压差的值小到某一程度，便称此种线性稳压器为低压降线性稳压器。在同一输出电压的情形下，相较于一般线性稳压器，低压降线性稳压器所需的输入电压较低，因此能够有较佳的转换效率。若是用于以电池作为输入电压源的应用场合，由​​于电池随着使用时间长，其电池电压会慢慢降低，因此低压降线性稳压器可有效延长电池的使用时间。

《图二 线性稳压器在固定负载下之输出电压与输出电压特性》

传统的线性稳压器是使用双载子电晶体（BJT）作为输出元件，(图三)即为三种常用的双载子电晶体组态。但因为双载子电晶体会有基极电流，会造成电流的浪费，且输出输入电压差也较高。近年来由于半导体制程的进步，渐渐改用金氧半场效电晶体（MOSFET）作为输出元件，(图四)即为二种以金氧半场效电晶体作输出元件的组态。由于金氧半场效电晶体阻态在闸极几乎没有电流，固不会造成电流的浪费，且金氧半场效电晶体所需输入输出电压差也较小，故较适合用于低压降线性稳压器的架构。而若以N型作为输出元件，需要比输入电压更高的电压来驱动输出元件，此会增加电路的困难度与复杂性，因此P型金氧半场效电晶体（PMOS）为目​​前低压降线性稳压器最常使用的输出元件，以下所以讨论的系统也均以P型金氧半场效电晶体作为输出元件。常见的输出元件结构，如(图三)与(图四)所示。

《图三 以双载子晶体管作为输出组件的常用组态》

《图四 以金氧半场效晶体管作为输出组件的常用阻态》

稳定度讨论

低压降线性稳压器为一负回授系统，因此有稳定度的问题。若系统的开回路转移函数（open loop transfer function）没有足够的相位边界（phase margin），输出便会发生振荡。一般低压降线性稳压器的小信号模型与频率响应，如(图五)、(图六)所示。其中Roa与Ro-pass分别为误差放大器与输出元件之输出电阻；gma与gmp代表误差放大器及输出元件的互导值（transconductance）；Cpar为输出元件（即PMOS）在闸极（gate）所看到的等效寄生电容；Resr为输出电容（CO）之等效串联电阻（equivalent series resistance，ESR）。分析其开回路转移函数并加以简化，会发现有二个主要的低频极点（pole）与一个零点（zero）。其中在输出端会造成一低频极点：

《公式三 》

而另外一低频率极点P1则由误差放大器内部补偿所造成。零点则为：

《公式四 》

而在高频部分会由Roa与Cpar造成另一极点:

《公式五 》

低压降线性稳压器之小信号模型与频率响应特性，如图四(a)(b)所示。

《图五 低压降线性稳压器之等效小信号模型》

《图六 一般低压降线性稳压器之开回路频率响应》

要确保系统稳定，必须维持足够的相位边界。可利用软体绘出完整的频率响应，检查其相位边界是否足够。如果确定系统中所有主要极点、零点之实部均为负值，也可观察在单位增益频率（unity gain frequency）时，增益（gain）曲线的斜率是否小于或等于-20dB/decade，若是则系统便为稳定。在低压降线性稳压器的系统中要使上述条件成立以维持系统稳定，零点的位置便相当重要。若是零点位置过于高频或是过于低频，都有可能造成系统不稳定。也因此在某一负载下，若输出电容（CO）固定，则输出电容的等效串联电阻需要确保在某一范围值内，才能确保系统稳定。这也是在使用低压降线性稳压器最需要注意的部分。

但是，低压降线性稳压器之开回路直流增益（open loop DC gain）与低频极点PL的频率，均会随着负载不同而变动，进而造成单位增益频率、相位边界的不同。因此，要在各种负载下均能保持系统的稳定，其输出电容与等效串联电阻均需严格地限制。通常低压降线性稳压器的使用说明上均会列出建议使用的输出电容值及其等效串联电阻的范围，(图七)即为一典型的输出电容与其等效串联电阻限制表示图。在各种负载情形下，其等效串联电阻均需在稳定区（stable region）内。

《图七 典型输出电容与其等效串联电阻值之限制图》

因为系统稳定度的考量，低压降线性稳压器的各项效能如：电源调整率（line regulation）、负载调整率（load regulation）、稳态精确度（accuracy）及负载暂态响应（load transient response）都受到了限制。电源调整率、负载调整率与稳态精确度的限制，是因为开回路直流增益由于稳定度的限制而无法提高造成。一般而言，若有要最佳的电源／负载调整率与稳态精确度，需提升开回路直流增益，但无限制地提高开回路直流增益，则会造成相位边界不足。负载暂态响应则是受限于输出电容之等效串联电阻以及单位增益频率的限制。当负载瞬间发生ΔI的变动时，因为系统无法即时反应，此ΔI的电流均由输出电容提供，如(图八)所示，而输出电容之等效串联电阻RESR与负载变化，会造成输出电压有ΔI． RESR的瞬间压降。 (图八)中的稳定时间（settling time）Δt则与单位增益频率成反比：单位增益频率越高，表示频宽越大，反应的时间越短，也就能越快达到稳定。因此输出电容之等效串联电阻越小、单位增益频率越高，负载暂态响应便越优异。但是因为稳定度的考量，输出电容之等效串联电阻无法为零，单位增益频率也无法提升至十分高频。 (图八)为负载瞬间变化时，变化电流ΔI之流向与输出电压之波形。

《图八 左图－负载瞬间变化量均由CO提供；右图为输出电压对负载电流变化之瞬时响应》

新型补偿方式

由以上的讨论可知，低压降线性稳压器主要缺点是输出电容与其等效串联电阻受到限制。由于等效串联电阻会随着温度、频率等因素而变动，又要配合适当的电容值，令低压降线性稳压器在使用上不甚方便，且等效串联电阻的存在亦会影响负载暂态响应的效能。此外由于开回路直流增益不能太高，无法有效地提升电源／负载调整率与稳态精确度之效能。所以目前在低压降线性稳压器的研究上，无非是希望降低或去除输出电容与其等效串联电阻的限制，或是有效提升开回路直流增益。

事实上，在输出电容与其等效串联电阻的限制上，已有较新型的低压降线性稳压器，不需要藉由输出电容的等效串联电阻来保持稳定。也就是说，这类型的低压降线性稳压器在频率响应上，并不是藉由输出电容与等效串联电阻产生的零点来进行补偿。因为输出电容的等效串联电阻可为零，能大幅提升负载暂态响应。

这类不需等效串联电阻的低压降线性稳压器如何维持稳定？由相关文献中，可以大致将其补偿方式分为二类：一类是由内部电路产生零点，代替原本由输出电容与其等效串联电阻产生的零点，进行频率响应的补偿，此仍为二极点一零点的系统。以Ka Chun Kwok, etc.提出的电路为例，简化电路结构如(图九)所示，其中EA代表误差放大器，而MC偏压在线性区，在小信号分析上可视为一电阻RC。此内部回路除了产生一低频主极点外，尚会产生一零点为：

《公式六 》

而在输出的地方则会由输出电容产生另一低频极点，因此适当的设计RC与CC的值可使此二极点一零点的系统，在不同的负载下维持稳定。

《图九 新型补偿电路架构之一》

另一类则是由多级放大器及电阻、电容网路作补偿，在内部电路产生一极为低频的主极点，而系统中其余的极点或零点均高于此主极点，但除了主极点外的极点与零点会造成较为复杂的频率响应，分析设计较为繁复。以Ka Nang Leung, etc提出的电路为例，简化电路结构如(图十)所示，其可产生一主极点为：

《公式七 》

其中RO1与RO2分别为Gm1与Gm2两级放大器的输出电阻。经过分析其开回路转移函数后，证实可籍由适当选取补偿电容Cm1、Cm2、电阻值Rm，使整个系统有足够的相位边界以达到稳定。

《图十 新型补偿电路架构之二》

这些系统在分析上均假设输出电容无等效串联电阻。如果输出电容含有等效串联电阻，只要其产生的零点较系统的单位增益频率为高，便不会影响原本的频率响应，系统仍可保持稳定。也因此较新型的低压降线性稳压器，通常是限制输出电容中等效串联电阻的上限。

结论

低压降线性稳压器为电源管理系统一不可或缺的元件，在较低电压、较小功率的电压转换场合，低压降线性稳压器是相当经济的选择。而低压降线性稳压器根据应用场合的需要，也分成许多不同种类：针对低输出杂讯、高速暂态响应、低静态电流、大输出电流等不同的需求，均要作电路架构上的修改，方能达到理想的特性。除了主电路架构的修改，系统中参考电压的产生也是值得研究的课题。要在低静态电流或低电压的情形下，产生极为精准的参考电压，以现有的技术而言仍是一大挑战。

总而言之，低压降线性稳压器虽然是相当成熟的产品，仍有许多值得研究的地方。尤其在未来可携式电子产品蓬勃发展的时代，其需求量将有增无减。若国内设计厂商能确实掌握低压降线性稳压器之技术核心，必能此领域中开创出一片春天。 （作者为台湾大学电子所教授）

参考资料：