低壓差線性穩(wěn)壓電源詳解

眾所周知，開關(guān)電源的效率很高，但是輸出電壓有紋波，噪聲很大，不能直接接入單片機(jī)控制電路中，而一般選擇的方案都是在開關(guān)電源的輸出端接一級LDO低壓差線性穩(wěn)壓電源，可以保證輸出到單片機(jī)中的電壓很穩(wěn)定，而且在進(jìn)行AD采樣時減小誤差，如果直接把開關(guān)電源輸出接到單片機(jī)的供電端，由于開關(guān)電源的輸出電壓有紋波會導(dǎo)致AD采樣不準(zhǔn)確，另一個最大的隱患就是會直接燒毀單片機(jī)，為什么會這樣呢？

假設(shè)開關(guān)電源短路或者故障，一般情況下都是輸入電壓等于輸出電壓，這么一個高的電壓直接接到單片機(jī)的電壓輸入端會瞬間損毀單片機(jī)，且給維修帶來很大的麻煩，如果把開關(guān)電源的輸出端接一個低壓差線性穩(wěn)壓電源，可以起到保護(hù)單片機(jī)的作用，低壓差線性穩(wěn)壓電源起到一個緩沖的做用。

下面介紹一下低壓差線性穩(wěn)壓電源。

LDO是低壓差線性穩(wěn)壓器，簡稱線性穩(wěn)壓電源。低壓差線性穩(wěn)壓器，工作原理是一個工作在線性區(qū)的晶體管或者MOSFET,由兩個電阻構(gòu)成的分壓，經(jīng)過放大器放大后，與VREF進(jìn)行對比，實現(xiàn)對VOUT的調(diào)整。在電子電路設(shè)計過程中，大大小小的電路板基本上都會用到低壓差線性穩(wěn)壓電源，因為低壓差線性穩(wěn)壓電源具有輸出精度高，電路簡單，價格低等優(yōu)勢。

如果想要使用分離器件搭建一個低壓差線性穩(wěn)壓電源那需要怎么操作呢？

首先我們要知道低壓差線性穩(wěn)壓電源的輸入輸出電壓需要有一個最低壓差至少需要輸入高于輸出電壓2V---3V.

假設(shè)我們現(xiàn)在要設(shè)計一個輸出+5V、100mA的電源，輸入電壓+12V，那看一下圖一這個電路圖，穩(wěn)壓管D101是一個5V1的，實際浮動電壓是5V1---5V2，因為穩(wěn)壓管的精度不高，我們就認(rèn)為是輸出5V，而穩(wěn)壓管需要正常工作的話需要流過穩(wěn)壓管的電流2mA以上或者穩(wěn)壓管上的電壓高于標(biāo)稱電壓，那我們看一下輸出電壓確定下來了，那100mA的電流怎么確定呢？是不是由這個R101限流電阻決定電流的大小呢？

即：R101=（Vin-Vo）/Io=(12V-5V)/100mA=70Ω，如圖二示，那R101上的功率是多少呢？Pr=Io*Io*R101=0.1*0.1*70=0.7W，那這個0.7W的功率消耗就白白浪費(fèi)掉了，這不是我們希望看到的，那這個電路怎么改進(jìn)呢？我們知道什么器件有放大電流的能力啊，是不是三極管呢？

那我們來改進(jìn)一下這個電路。

（▲圖一）

（▲圖二）

看一下圖三這個變化后的電路圖，在穩(wěn)壓管的基礎(chǔ)上加了一個三極管放大電流，降低功耗,我們一起來分析一下這個電路的工作過程，假設(shè)三極管放大倍數(shù)β=100.

首先看一下穩(wěn)壓管這個電路，穩(wěn)壓管要想工作穩(wěn)定需要流過至少2mA的電流，流過電流越大穩(wěn)壓管電壓越穩(wěn)定，而想要三極管上流過100mA的電流，則Ib需要保持1mA,那也就是說支路I上至少流過3mA的電流，為了電壓穩(wěn)定我們?nèi)?mA.

（▲圖三）

計算R102=(vin-5v8)/4mA=(12V-5V8)/4mA=1.55K,我們?nèi)∫粋€標(biāo)稱的電阻值R102=1K5,重新計算一下電流I=(vin-5v8)/1K5=(12V-5V8)/1K5=4.1mA電流,穩(wěn)壓管分的3mA，Ib分1mA電流，如圖四示，也是可以接受的。

（▲圖四）

那確定完電阻值后，來看一下這個三極管如何選擇？首先需要Ic能流過100mA的電流，那選擇三極管的Ic時需要留有余量,一般情況留1.2倍余量就可以，也就是說選擇的時候Ic電流至少是120mA，那三極管上的壓降是多少呢？

輸入12V,輸出5V三極管壓降7V，Pq=U*I=7V*120mA=840mW,那來看一下長電的NPN型三極管PZT2222A（這里只是舉例說明，并無宣傳之意）

（▲圖五）

看圖中紅框內(nèi)容：Veb是指射極到基極的反向耐壓，使用三極管時一定要注意這個電壓值，否則一不小心就損壞三極管，并且是不可逆的，Ic=600mA，而我們需要的是120mA,那Ic電流沒有問題，Pc=1W,而我們需要840mW，也是滿足要求的并且留有余量，三極管封裝SOT-223，繪制PCB圖時注意引腳順序需要和原理圖一一對應(yīng)。

電路參數(shù)確定后，如圖六示，來分析一下這個電路實際運(yùn)行的過程：12V電源通過R111給穩(wěn)壓管和是三極管基極供電，穩(wěn)壓管流過2mA電流，穩(wěn)壓管被反向擊穿，生成一個5V8的電壓在三級管的基極，而Ib=1mA那Ic=Ib*β=100mA,Ic給后面的電容充電，直到充到5V，那為什么后面的輸出電壓是5V而不是4V或6V呢？

來看一下三極管基極和射極的關(guān)系，是不是射極跟隨電路，那E極電位跟隨B極電位有一個0.7V的壓降，B極是穩(wěn)壓管的電壓5V7，那E極就是5V.

（▲圖六）

如圖七所示后極負(fù)載有時候并不是穩(wěn)定的，假設(shè)后極負(fù)載內(nèi)阻突然間減小，需要消耗200mA電流，那三極管是不是無法提供，因為我們設(shè)計的Ic只有100mA,那只有后級電容來提供這個瞬間大電流的消耗了，那輸入電流小于輸出電流那電容上的電壓是會往下降的，B極電壓相對來說是穩(wěn)定不變的，那E極電壓降低只能是Vbe增大，而Ib也會隨之增大Ib增大會讓Ic跟隨增大，假如此時E極電位高于5V，為5V2時由于B極電位不變，E極電位上升那Vbe減小，Ib也降低，Ic也會降低，E極電位隨之下降，假設(shè)E極降至4V9那又會引起Vbe增大，E點上升，經(jīng)過幾次調(diào)節(jié)之后最終電容上會輸出一個波動的5V，在加一個104小電容進(jìn)行一次濾波會使得輸出更平穩(wěn)些。

（▲圖七）

穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓精度不是很好，雖然穩(wěn)壓管內(nèi)部有結(jié)電容，但是穩(wěn)定的電壓還是波動很大，而我們這里B極，電壓波動勢必會影響輸出電壓，那怎樣才能使穩(wěn)壓管的輸出電壓穩(wěn)定呢？

電容兩端電壓不能突變，具有穩(wěn)壓作用，所以需要在穩(wěn)壓管的兩端接一個小電容穩(wěn)定一下電壓，這樣分立器件搭建的LDO電路輸出會更穩(wěn)定，同時可以在三極管上反向并聯(lián)一個二極管，二極管使用普通1N4148就行，用于掉電時候?qū)敵鲭娙菘焖俜烹姡烹娀芈肥禽敵鲭娙輰﹄娫吹胤烹?，最終電路下圖八示。

（▲圖八）

　　審核編輯：湯梓紅