解析線性穩(wěn)壓器基本知識

線性穩(wěn)壓器的基本概念

線性穩(wěn)壓器(Linear Regulator)使用在其線性區(qū)域內運行的晶體管或 FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節(jié)的輸出電壓。其產品均采用小型封裝，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，關斷模式還能大幅降低功耗。

線性穩(wěn)壓器的工作原理

我們從一個簡單的例子開始。在嵌入式系統中，可從前端電源提供一個12V總線電壓軌。在系統板上，需要一個3.3V電壓為一個運算放大器(運放)供電。產生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IC VCC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節(jié)。在同一個系統中，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節(jié)環(huán)路。如圖2所示，反饋環(huán)路必需調整頂端電阻器R1的阻值以動態(tài)地調節(jié)VCC上的3.3V.

圖1 電阻分壓器采用12V總線輸入產生3.3VDC

圖2 反饋環(huán)路調整串聯電阻器R1的阻值以調節(jié)3.3V

此類可變電阻器可利用一個線性穩(wěn)壓器來實現，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器使一個雙極性或場效應功率晶體管(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的可變電阻器。從概念上說，如需構建反饋環(huán)路，可由一個誤差放大器利用一個采樣電阻器網絡(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動串聯功率晶體管的基極。當輸入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，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輸出的準確調節(jié)?？傊琕O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節(jié)狀態(tài)。

圖3 線性穩(wěn)壓器可實現一個可變電阻器以調節(jié)輸出電壓

線性穩(wěn)壓器的特點

所謂的抗短路能力要求，是指在相關材料的短路條件下，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。分別適合不同的設備使用。

即使沒有輸出電容也相當穩(wěn)定，它比較適合電壓差較高的設備使用，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)射極結構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，會形成數毫安的不穩(wěn)定接地電流。因為采用公共發(fā)射極結構，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電阻(ESR電容才干夠穩(wěn)定工作。

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)域內運行的晶體管或FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節(jié)的輸出電壓。其產品均采用小型封裝，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)壓器曾經是電源行業(yè)的基礎。即使在今天，線性穩(wěn)壓器仍然在眾多的應用中廣為使用。

1.線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢分析

除了簡單易用之外，線性穩(wěn)壓器還擁有其他的性能優(yōu)勢。電源管理供應商開發(fā)了許多集成型線性穩(wěn)壓器。典型的集成線性穩(wěn)壓器只需要VIN、VOUT、FB和任選的GND引腳。圖4示出了一款典型的3引腳線性穩(wěn)壓器LT1083,它是凌力爾特公司在20多年前開發(fā)的。該器件僅需一個輸入電容器、輸出電容器和兩個反饋電阻器以設定輸出電壓。幾乎所有的電氣工程師都可以運用這些簡單的線性穩(wěn)壓器來設計電源。