原创 信号链基础知识之线性稳压器

一般来说，现在各种电子设备所需的供电电源，除了电池之外，大都是由电力网提供的频率为50Hz的交流电压转化而成的直流电压，但是实际上，由于输入电力网的电压波动以及负载的变动等因素，使得这个直流电压的稳定性并不让人乐观。由此，引入了电源调节电路，它主要包括两大类：线性调节电路和开关调节电路。本文将着重分析线性稳压器的原理以及应用时应该注意的一些细节。

实用的线性稳压电路一般包括以下5个部分：调整管、基准电压电路、取样电路、比较放大电路和保护电路。其拓扑电路如下图所示：

Analysis：它主要是以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度负反馈使得输出电压保持恒定；并且还可通过反馈网络参数使得输出电压可调。下面是一个很简单明了的线性稳压器：

Analysis：这里最关键的是要理解清楚晶体管必须是工作在放大状态！因为只有当晶体管工作在放大状态时，集电极电流才由基极电流控制，而不受集电极—发射极之间电压变化的影响。再直观一点的说就是：当输入为脉动的直流电压时，晶体管的集—射极之间的电压在随机波动，但是由于引入了电压负反馈的缘故，Ic却基本不变，so，负载两端的电压也就达到了稳压的效果了。如果更加细心一点的话，就会发现其实这个电路中还隐含着一个关系式：

因此，顾名思义线性稳压器，其实也就是因为调整管工作在线性区。同时，调整管是与负载相串联的，也正是因为这个缘故，线性稳压器在输入与输出之间需要一个不小于一定值的电压差才能正常工作，这个“一定值”大约为3V，因为整流器的压降一般是1~2V。

线性稳压器可以分为固定式稳压器和可调式稳压器两类。下面分别分析一下：

（1）固定式稳压器——即输出电压不能进行调节。

（2）可调式稳压器——即输出电压可以通过外接元件进行调节（当然这是具有一定的范围的）。它有三个引脚端，除了输入和输出端外，还有一个电压调整端，这个端口是基准电压电路的公共端。

对于图中的调整端Adj节点，根据Kirchhoff电流定律，可以推出以下关系式：

Where，Uo-Adj是输出端和调整端之间的常量电压，对于LM317来说，其值为1.25V， 且非常稳定。

同时这里也暴露了一个问题：当调整端电流Iadj变化时，将会增大输出电压的纹波系数。为了解决这个问题，可以在稳压器和取样电阻之间加一个电压跟随器来隔离两者。如下图所示：

可见，稳压器调整端电流对输出电压的影响消除了。

为了进一步减小负载两端的纹波电压，输出电容对于稳压器的稳压作用非常关键，选用较大的输出电容值是为了减小输出纹波。在输出电流较大时，电容的等效串联电阻（ESR）是造成纹波的主要因素，因此，建议使用ESD低的但电容。滤波电容在正向整流期间存储电荷，存储的电荷可以减少输出的波动；在负相整流期间，滤波电容通过负载放电——使得输出电平有一个足够缓慢下降的变化，从而保持输出电压在一定电平上。

查一下7805的DATASHEET可知，7805的纹波抑制能力大约在70dB左右，则有：

上述结果表明：输出电压的纹波减小为输入电压纹波的1/3164，这个值算是相当小的了。

除了如上所述之外，在实践中应用线性稳压器时，还需要注意几个小问题：

Analysis：当关闭电源且负载去掉时，输入端滤波电容的高压就会通过它放电。这样在输入、输出电容的两端并联一个阻值不大的电阻，形成一个快速放电回路，将输入、输出电容存储的大量电荷迅速导入参考地，从而有效地保护稳压器。

线性稳压器（LDO）虽然比较常见且原理简单、调节方便，但却是一种非常重要的电路机制。此外，由于调整管工作在甲类状态（以晶体管构成调整管为例），因而电路功耗大、效率低，导致有时需要给器件外套一个散热器，这也就增大了设备的体积，成本加大。However，如果调整管能够工作在开关状态，则定能可以大大减小功耗、提升效率——此即开关稳压器的核心工作原理。对开关稳压器有兴趣的网友，请关注后文！