原创稳压电源原理概述

 2009-10-6 11:05  4955 5 5 分类: 电源/新能源

线性稳压电源和开关电源最大的区别是线性稳压电源中管子(无论是双极型还是MOSFET)工作于线性状态，而开关电源中管子工作于开关状态。线性稳压电源和开关电源也因此而得名。

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线性电源原理

线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工作在线性状态下，可这么来理解：RW（见下面的分析）是连续可变的，亦即是线性的。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开——电阻很小；关——电阻很大。工作在开关状态下的管子显然不是线性状态。

线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

我们先用下图来说明线性稳压电源调节电压的原理。如图1所示，可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为：Uo=Ui×RL/(RW+RL)，因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。还要注意，我们这个图并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念----实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，即使用了，也只是辅助方法而已。

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图1

如果我们用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样我们就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。

像图1所示的那样，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。所谓并联的意思，就是象图2中的稳压管那样，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”，也许这个图并不能让你一下子看出它是“并联”的，但细心一看，确实如此。不过，大家在此还要注意一下：此处的稳压管，是利用它的非线性区工作的，因此，如果认为它是一个电源，它也是一个非线性电源。

图2

由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。想要更详细的了解线性稳压电源，请参看模拟电子线路教科书。这里我们主要是帮助大家理清这些概念以及它们之间的关系。

一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。图2是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；1117（低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V，1117-ADJ为可调型）。

LDO原理与应用（低压差线性电源）

传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出 2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片，所以低压差线性稳压器是相对于传统的线性稳压器来说的。其突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P 沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP 晶体管。P 沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电源电流；另一方面，在采用PNP 管的结构中，为了防止PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时， LDO 是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用LDO，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。应当说明，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图3所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

图3 低压差线性稳压器基本电路

其主要应用场合如图4所示。(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源，交流电源电压经变压器后，变换成所需要的电压，该电压经整流后变为直流电压。在该电路中，低压差线性稳压器的作用是：在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声。各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器，如图 (b)所示。低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，如图(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此，要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图(d)所示。

图4 低压差线性稳压器(LDO)典型应用

下面给出一个实例来阐述传统线性电源与LDO的区别。AMS1117英文名为<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1A LOW DROPOUT VOLTAGE REGULATOR，中文名为，最高流过电流为1A的电压调整器。与其他线性稳压芯片（78XX，79XX系列）相比，它的特别之处是其稳压压差小。例如7805的稳压压差是2V ，而AMS1117典型稳压压差值是1.1V。这就意味着，给单片机提供5V电压时，若使用7805，其输入端的最低电压是5+2=7V，而使用AMS1117-5V，输出5V需要的最低输入电压是5+1.1=6.1V，这正是这两个芯片的区别。当两个芯片均工作在最小稳压输入电压下，且系统工作电流是1A，则7805本身的压降是2V，流过1A的电流，所以它自身功耗P=UI=2*1=2W而AMS1117才1.1W。实际电路设计过程中，一般上板电源为12 或 9V，对于5V供电电路系统其驱动电流是固定的，此时，在两个芯片上的功耗均=（上板电源-稳压输出）*电路系统驱动电流，可以看出两芯片功耗是相同的。此时AMS的低功耗特性无法体现，此时的优势可能就是AMS的体积比较小。

开关稳压电源

DC to DC电源是开关电源的另称，包括boost(升压)、buck(降压)、 Boost/buck(升/降压)和反相结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但由于该类电路工作在开关状态其电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。现在电脑的ATX电源、笔记本电脑电源适配器都是开关电源的实例。

通过5图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

开关稳压器使用输出级，重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。在固定频率的稳压器中，通过调节开关电压的脉冲宽度来调节切换定时，这就是所谓的 PWM 控制。在门控振荡器或脉冲模式稳压器中，开关脉冲的宽度和频率保持恒定，但是，输出开关的“开”或“关”由反馈控制。根据开关和能量存贮部件的排列，产生的输出电压可以大于或小于输入电压，并且可以用一个稳压器产生多个输出电压。在大多数情况下，在同样的输入电压和输出电压要求下，脉冲（降压）开关稳压器比线性稳压器转换电源的效率更高。