線性穩(wěn)壓器的基本知識解析

　　長期以來，線性穩(wěn)壓器一直得到業(yè)界的廣泛采用。在開關(guān)模式電源于上世紀60年代后成為主流之前，線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是電源行業(yè)的基礎(chǔ)。即使在今天，線性穩(wěn)壓器仍然在眾多的應(yīng)用中廣為使用。下面我們來就針對線性穩(wěn)壓器的基本知識作一一相關(guān)介紹。

　　一、線性穩(wěn)壓器的基本概念

　　線性穩(wěn)壓器(LinearRegulator)使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。其產(chǎn)品均采用小型封裝，具有出色的性能，并且提供熱過載保護、安全限流等增值特性，關(guān)斷模式還能大幅降低功耗。

　　二、線性穩(wěn)壓器的工作原理

　　我們從一個簡單的例子開始。在嵌入式系統(tǒng)中，可從前端電源提供一個12V總線電壓軌。在系統(tǒng)板上，需要一個3.3V電壓為一個運算放大器(運放)供電。產(chǎn)生3.3V電壓最簡單的方法是使用一個從12V總線引出的電阻分壓器，如圖1所示。這種做法效果好嗎?回答常常是“否”.在不同的工作條件下，運放的VCC引腳電流可能會發(fā)生變化。假如采用一個固定的電阻分壓器，則ICVCC電壓將隨負載而改變。此外，12V總線輸入還有可能未得到良好的調(diào)節(jié)。在同一個系統(tǒng)中，也許有很多其他的負載共享12V電壓軌。由于總線阻抗的原因，12V總線電壓會隨著總線負載情況的變化而改變。因此，電阻分壓器不能為運放提供一個用于確保其正確操作的3.3V穩(wěn)定電壓。于是，需要一個專用的電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖2所示，反饋環(huán)路必需調(diào)整頂端電阻器R1的阻值以動態(tài)地調(diào)節(jié)VCC上的3.3V。

　　圖1電阻分壓器采用12V總線輸入產(chǎn)生3.3VDC

　　圖2反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻器R1的阻值以調(diào)節(jié)3.3V　　此類可變電阻器可利用一個線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器使一個雙極性或場效應(yīng)功率晶體管(FET)在其線性模式中運作。這樣，晶體管起的作用就是一個與輸出負載相串聯(lián)的可變電阻器。從概念上說，如需構(gòu)建反饋環(huán)路，可由一個誤差放大器利用一個采樣電阻器網(wǎng)絡(luò)(RA和RB)來檢測DC輸出電壓，然后將反饋電壓VFB與一個基準電壓VREF進行比較。誤差放大器輸出電壓通過一個電流放大器驅(qū)動串聯(lián)功率晶體管的基極。當(dāng)輸入VBUS電壓下降或負載電流增大時，VCC輸出電壓下降。反饋電壓VFB也將下降。因此，反饋誤差放大器和電流放大器產(chǎn)生更多的電流并輸入晶體管Q1的基極。這將減小電壓降VCE,因而使VCC輸出電壓恢復(fù)，這樣一來VFB=VREF.另一方面，如果VCC輸出電壓上升，則負反饋電路采取相似的方式增加VCE以確保3.3V輸出的準確調(diào)節(jié)。總之，VO的任何變化都被線性穩(wěn)壓器晶體管的VCE電壓所消減。所以，輸出電壓VCC始終恒定并處于良好調(diào)節(jié)狀態(tài)。

　　圖3線性穩(wěn)壓器可實現(xiàn)一個可變電阻器以調(diào)節(jié)輸出電壓

　　三、線性穩(wěn)壓器的特點

　　所謂的抗短路能力要求，是指在相關(guān)材料的短路條件下，穩(wěn)壓器不損壞。穩(wěn)壓器的抗短路能力包括承受短路的耐熱能力和承受短路的動穩(wěn)定能力兩個方面。

　　壓差和接地電流值定了后就可確定穩(wěn)壓器適用的設(shè)備類型。五大主流線性穩(wěn)壓器每個都具有不同的旁路元件(passelement和獨特性能，電壓差和接地電流值主要由線性穩(wěn)壓器的旁路元件(passelement確定。分別適合不同的設(shè)備使用。

　　即使沒有輸出電容也相當(dāng)穩(wěn)定，它比較適合電壓差較高的設(shè)備使用，規(guī)范NPN穩(wěn)壓器的優(yōu)點是具有約等于PNP晶體管基極電流的穩(wěn)定接地電流。但較高的壓差使得這種穩(wěn)壓器不適合許多嵌入式設(shè)備使用。

　　NPN旁路晶體管穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇，對于嵌入式應(yīng)用而言，因為它壓差小，容易使用。不過這種穩(wěn)壓器仍不適合具有很低壓差要求的電池供電設(shè)備使用，因為它壓差不夠低。高增益NPN旁路管可使接地電流穩(wěn)定在幾個毫安，而且它公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有很低的輸出阻抗。

　　其中的旁路元件就是PNP晶體管。輸入輸出壓差一般在0.30.7V之間。因為壓差低，PNP旁路晶體管是一種低壓差穩(wěn)壓器。因此這種PNP旁路晶體管穩(wěn)壓器非常適合電池供電的嵌入式設(shè)備使用。不過它大接地電流會縮短電池的壽另外，PNP晶體管增益較低，會形成數(shù)毫安的不穩(wěn)定接地電流。因為采用公共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因此它輸出阻抗比較高，這意味著需要外接特定范圍容量和等效串聯(lián)電阻(ESR電容才干夠穩(wěn)定工作。　　四、線性穩(wěn)壓器的優(yōu)劣勢分析

　　線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。其產(chǎn)品均采用小型封裝，具有出色的性能，并且提供熱過載保護、安全限流等增值特性，關(guān)斷模式還能大幅降低功耗。

　　長期以來，線性穩(wěn)壓器一直得到業(yè)界的廣泛采用。在開關(guān)模式電源于上世紀60年代后成為主流之前，線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是電源行業(yè)的基礎(chǔ)。即使在今天，線性穩(wěn)壓器仍然在眾多的應(yīng)用中廣為使用。