線性穩(wěn)壓器兩端的電容容量選擇及作用

　　什么是線性穩(wěn)壓器

　　線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運行的晶體管或 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。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP.這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

　　線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容。新型線性穩(wěn)壓器可達(dá)到以下指標(biāo)：30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態(tài)電流及100mV的壓差。線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P溝道場效應(yīng)管，而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP晶體管。P溝道的場效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動，所以大大降低了器件本身的電流；另一方面，在采用PNP管的結(jié)構(gòu)中，為了防止PNP晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差；而P溝道場效應(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積，極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時，線性穩(wěn)壓器是最好的選擇，可達(dá)到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V 電壓的應(yīng)用中大多選用線性穩(wěn)壓器，盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用，但是線性穩(wěn)壓器仍然能夠在低噪聲結(jié)構(gòu)中提供較長的電池壽命。

　　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電壓為一個運算放大器（運放）供電。產(chǎn)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(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.　　

　　此類可變電阻器可利用一個線性穩(wěn)壓器來實現(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)。總之，VO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)。

　　線性穩(wěn)壓器的特點/作用

　　電容是沒有穩(wěn)壓功能的！它在電源濾波電路里所起到的作用是蓄能提升直流電壓有效值和濾除殘余交流成分！與穩(wěn)壓是兩個概念 ！穩(wěn)壓是 由穩(wěn)壓管二極管或散極管及穩(wěn)壓集成電路電路來實現(xiàn)的 ！

　　有整流電路輸出的并不是真正的直流電壓而是由單方向半波組成的單向脈動電壓！它不但有強(qiáng)度變化的跳躍！還包含了殘余的交流及諧波成份！這樣的直流電源是無法使精密的電子電路正常工作的！我們知道電容器的特性就是能容納大量的電荷！而且還能釋放！同時它又是交流電的放行者！我們把足夠大容量的電容并接在整流輸出的兩端！它的充電蓄能作用就有了用場！它首先是把輸出端的單向波脈動電壓高充低放地拉到一個近似于平滑的電壓值！同時也增強(qiáng)了電源輸出的電流負(fù)荷性能！再者就是它還能將電源里殘余的交流及諧波成份回路入地！這就是電容在電源濾波里的作用！

　 ? 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(shè)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(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(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。因為采用公共發(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。

　　穩(wěn)壓器LM7815兩端的電容容量的選擇

　　電子愛好者常用78xx穩(wěn)壓器制作穩(wěn)壓電源。在用78xx制作輸出電壓固定的穩(wěn)壓電源時，都要用到輸入濾波電容C1和輸出濾波電容C2，那么C1和C2的容量應(yīng)如何選擇呢？在選用濾波電容C1和C2時，如果C1和C2的容量選擇過大，一方面，會增加穩(wěn)壓電源的造價；另一方面，在電源開機(jī)的瞬間，由于電容的容量過大，充電電流也會很大，帶來很大的沖擊電流。實驗表明：電容的濾波能力并不隨電容容量的增大而線性增大，當(dāng)濾波電容的容量增大到一定值時，再增大濾波電容的容量，電容的濾波能力增加也極小。

　　如果C1和C2的容最選擇過小，電源輸出電壓的紋波較大，那么，在用78xx制作輸出電壓固定的穩(wěn)壓電源時，輸入濾波電容和輸出濾波電容應(yīng)該選擇多大的容量呢？經(jīng)過多次實驗總結(jié)出附表所示的數(shù)據(jù)，供廣大的電子愛好者參考。

　　輸入濾波電容C1的容量都比輸出濾波電容C2的容最大，C1比C2大的好處是，當(dāng)附圖中A點和B點同時斷開時，由于C1的容量大于C2的容量，這樣就避免了C2對78xx進(jìn)行反向充電，對78xx有一定的保護(hù)作用。

　　沒有特定的容量大小的，應(yīng)取決于負(fù)載。

　　一般最起碼輸入端、輸出端都得有0.1μF的濾波電容。實際則要根據(jù)負(fù)載大小、工作頻率、紋波要求來計算和選取。

　　另外7815的輸入電壓一般是DC35V，有些高壓型號有50V以上的，但是肯定沒法直接接220整流后的輸出。還需要有一級降壓的，一般是通過變壓器將220VAC降為十幾VAC，再進(jìn)行整流。

　　整流管注意電流足夠、電壓能頂住、發(fā)熱能承受。