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(yùn)算放大器(運(yùn)放)供電。產(chǎn)生3.3v電壓 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(yùn)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(fù)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(fù)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(fù)載情況的變化而改變。因此，電阻分壓器不能為運(yùn)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(shí)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(yùn)作。這樣，晶體管起的作用就是一個與輸出負(fù)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(zhǔn)電壓vref進(jìn)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(fù)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(fù)反饋電路采取相似的方式增加vce以確保3.3v輸出的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)�？傊瑅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(diào)節(jié)狀態(tài)。     

    圖3 線性穩(wěn)壓器可實(shí)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(diǎn)

    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(dú)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(diǎn)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?yàn)樗鼔翰钚�，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?yàn)樗鼔翰畈粔虻汀８咴鲆鎛pn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?yàn)閴翰畹停琾np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?yàn)椴捎霉舶l(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(yùn)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(hù)、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(jì)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。

    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(yīng)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(shè)定輸出電壓。幾乎所有的電氣工程師都可以運(yùn)用這些簡單的線性穩(wěn)壓器來設(shè)計電源。

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