原创 信号链基础知识（第19部分）：探究和了解线性稳压器

了解这种简单、常见但却极为重要的电源稳压器的工作原理，以及如何实现最佳的运用。

作者：Bill Klein，德州仪器 (TI) 高级应用工程师

本系列文章的第 11 部分 已对这种线性稳压器作了介绍。此类器件的成功应用取决于对优化该系列器件性能的一些专用电路设计的考虑和对规范的了解、掌握。

第一个需要考虑的因素便是确定预期输出电压。最为简单的线性稳压器拥有一个固定的输出电压范围，其由和图 1 所示 R1/R2 网络相类似的内部连接确定。可调稳压器可能会有四个引脚：Vin、Vout、接地引脚和调节引脚。调节引脚是用来调节电压设置电阻。

图 1 基本的线性稳压器

三端可调稳压器的输出电压如图 2 所示

图 2 三端可调稳压器

并由下列关系式设定：

1.25 V 为电压参考值。分子和分母均除以 R1 可以得出：

这就是本系列第一篇文章（第 1 部分 最基本的构建块——运算放大器）中所建立起来的非反相运算放大器 (op amp) 传输函数。

我们通常用输入电源电压（线性）或输出电流需求（负载）改变时其保持规定输出电压的表现来衡量稳压器的动态性能，即对静态变化和瞬态变化的响应。我们通常是在最大负载电流下规定线性调整率 (line regulation)，而负载调整率的规定则可能是在一个或多个线性电压条件下完成的。

当输入未得到调节时，可能会存在一定叠加于 DC 之上的电源线频率 AC，即输入纹波，应从输出中将其去除。另一个动态性能变量是输出噪声。通过增加稳压器输出端的滤波器电容一般可以降低输入纹波和输出噪声，但是会延长瞬态恢复时间。

线性稳压器的运行依赖于一个内部增益级。为了防止该增益级出现振荡，通常会需要一个最小输出滤波器电容（请参见图 1 中的 C2）。一个输入滤波器电容（请参见图 1 中的 C1）将有助于稳压器服务于瞬态负载，尤其是在稳压器远离电源时更需要这样一个输入滤波器电容。

许多稳压器都不容许存在反向电压。如果输出电容被充电至输出电压，同时输入短路至接地，那么稳压器将出现反向电压，并且在所有电路获得放电以前稳压器都会锁闭在某种未知状态中。这种故障状态可能会引起稳压器自毁。为了避免出现这种故障模式，可能会需要一个反向二极管钳位（请参见图 3）。

图 3 反向电压钳位

由于缺少一种将未用能量输入存储到稳压器的机制，因此必须将其以散热的形式耗散掉。该功率可以由下列公式计算得到：

P_d = ( V_in — V_out) × I_in

计算过程中输入电流的使用，使得稳压器静态或接地电流均得到考虑。

在要求负载电流大于稳压器承受能力的情况下，可以添加一个外部晶体管，如图 4 所示。这种做法仅适用于可调输出稳压器。

图 4 利用外部晶体管增大 I（负载）

该电路可能有助于将稳压器芯片的热量通过散热片转移至晶体管。降低稳压器的功耗，可以降低由于温度变化带来的输出电压漂移。

作者简介

William P. (Bill) Klein 现任 TI 高性能模拟产品部高级应用工程师。Bill 是在 2000 年 8 月 TI 收购 Burr-Brown 公司时加盟 TI 的。他拥有超过 40 年的模拟电路设计工作经验，涵盖了从找矿勘查到核医学影像的广泛领域。目前，Bill 的任务是举办模拟电子实验室网络直播 (e-LAB Web Cast) 工作，介绍在模拟电路设计中所遇问题的现实解决方案。他毕业于亚利桑那州立大学 (Arizona State University)，获电子工程理学士学位，并注册成为一名亚利桑那州专业工程师；此外，他还撰写了大量的杂志文章、应用手册以及会议论文。