IC先生：線性穩(wěn)壓器電路 設(shè)計(jì)之串聯(lián)調(diào)節(jié)器

串聯(lián)穩(wěn)壓器或有時稱為串聯(lián)調(diào)節(jié)器是最常用的電路設(shè)計(jì)方法，用于在線性穩(wěn)壓電源中提供最終電壓調(diào)節(jié)。

串聯(lián)線性穩(wěn)壓器提供了高水平的性能，特別是當(dāng)穩(wěn)壓輸出需要低噪聲、紋波和瞬變時，電路通常相對容易設(shè)計(jì)。

有多種使用分立電子元件的線性穩(wěn)壓器電路，這些元件通過串聯(lián)傳輸元件提供調(diào)節(jié) - 串聯(lián)傳輸技術(shù)是電源裝置中使用最廣泛的技術(shù)。

這意味著在進(jìn)行電源的電子電路設(shè)計(jì)時，串聯(lián)穩(wěn)壓器有很多選擇。

可以在電路設(shè)計(jì)中使用許多穩(wěn)壓器 IC 或芯片之一。這些 IC 應(yīng)用廣泛，價格也相當(dāng)便宜，是許多線性穩(wěn)壓器電路的理想選擇。

串聯(lián)穩(wěn)壓電路基礎(chǔ)知識

串聯(lián)穩(wěn)壓器或串聯(lián)導(dǎo)通穩(wěn)壓器使用與負(fù)載串聯(lián)放置的可變元件。通過改變串聯(lián)元件的電阻，它兩端的壓降可以發(fā)生變化，以確保負(fù)載兩端的電壓保持恒定。

串聯(lián)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是，消耗的電流量實(shí)際上是負(fù)載使用的電流量，盡管有些電流會被與穩(wěn)壓器相關(guān)的任何電路消耗。

與并聯(lián)穩(wěn)壓器不同，即使負(fù)載不需要任何電流，串聯(lián)穩(wěn)壓器也不會消耗全部電流。因此，串聯(lián)穩(wěn)壓器的效率要高得多。

它不是汲取負(fù)載不需要的電流來維持電壓，而是降低輸入電壓與所需穩(wěn)定電壓之間的電壓差。

為了保持足夠的調(diào)節(jié)水平和抑制可能出現(xiàn)在輸入電壓上的噪聲和瞬變，串聯(lián)線性穩(wěn)壓器需要降低一個顯著的電壓。

許多高質(zhì)量、低噪聲和紋波穩(wěn)壓器需要在串聯(lián)穩(wěn)壓器元件上施加幾伏電壓。這意味著該組件會耗散大量功率，串聯(lián)調(diào)整器器件以及整個電源都需要良好的散熱和散熱能力。

盡管串聯(lián)穩(wěn)壓器的效率比并聯(lián)穩(wěn)壓器高得多，但它的效率卻比開關(guān)模式電源低得多。

串聯(lián)穩(wěn)壓器和使用它們的任何線性電源的效率將取決于負(fù)載等因素，但通常能達(dá)到低于 50% 的效率水平，而開關(guān)模式電源可以達(dá)到高于 90% 的水平。

與開關(guān)模式電源相比，串聯(lián)穩(wěn)壓器的效率水平相對較低，但它們具有簡單的優(yōu)點(diǎn)，而且它們的輸出沒有某些開關(guān)模式電源上出現(xiàn)的開關(guān)尖峰，盡管 SMPS 正在改進(jìn)并且性能現(xiàn)在很多都特別好。

簡單的射極跟隨器穩(wěn)壓器

簡單晶體管射極跟隨器穩(wěn)壓器的電子電路設(shè)計(jì)非常簡單。該電路本身并未廣泛用于線性電源，但可用于其他設(shè)備以從更高的電壓軌提供降壓等。

該電路使用射極跟隨器配置形式的單通晶體管，以及由未穩(wěn)壓電源的電阻器驅(qū)動的單個齊納二極管或其他穩(wěn)壓二極管。

這提供了一種簡單形式的反饋系統(tǒng)，以確保在輸出端保持齊納電壓，盡管電壓降低等于基極發(fā)射極結(jié)電壓——硅晶體管為 0.6 伏。

像這樣設(shè)計(jì)串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器電路是一件簡單的事情。知道負(fù)載所需的最大電流，就可以計(jì)算出最大發(fā)射極電流。這是通過將負(fù)載電流（即晶體管發(fā)射極電流）除以晶體管的β或hfe來實(shí)現(xiàn)的。

齊納二極管通常至少需要 10mA 左右的電流才能使小型齊納二極管保持其穩(wěn)定電壓。然后應(yīng)根據(jù)未穩(wěn)壓電壓、齊納電壓和所需電流的知識計(jì)算電阻器以提供基極驅(qū)動電流和最小齊納電流。[（未穩(wěn)壓電壓 - 齊納電壓）/電流]。

值得注意的是，應(yīng)該給電流加上一個小的余量，以確保負(fù)載時有足夠的余量，從而使晶體管基極承受全電流。

齊納二極管的功率耗散能力應(yīng)在負(fù)載電流為零的情況下計(jì)算，因此基極電流為零。在這種情況下，齊納二極管需要承受串聯(lián)電阻器通過的全部電流。

有時，可能會在齊納二極管或電壓參考二極管兩端放置一個電容器，以幫助消除噪聲和可能發(fā)生的任何電壓瞬變。

輸出采樣

簡單的射極跟隨器串聯(lián)穩(wěn)壓電路直接將輸出與電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較。這樣，輸出電壓等于參考電壓，忽略了基極發(fā)射極壓降。

然而，可以通過對輸出電壓的一部分進(jìn)行采樣并將其與參考電壓進(jìn)行比較來提高穩(wěn)壓器的性能。

像運(yùn)算放大器這樣的差分放大器可以用于此功能。如果這樣做，則輸出電壓將變得大于參考電壓，因?yàn)殡娐分械呢?fù)反饋會努力使兩個比較電壓保持相同。

例如，如果參考電壓為 5 伏，采樣或分壓器提供 50% 的輸出電壓，則輸出電壓將保持在 10 伏。

可以使分壓或采樣可變，這樣就可以將輸出電壓調(diào)整到需要的值。通常這種方法只用于小的調(diào)整，因?yàn)橥ㄟ^這種方法獲得的最小輸出電平是等于參考電壓的輸出。

應(yīng)該記住，使用分壓器會降低反饋環(huán)路增益。這會降低環(huán)路增益，從而降低調(diào)節(jié)性能。通常有足夠的環(huán)路增益，這不會成為主要問題，除非只有很小一部分輸出被采樣。

還應(yīng)注意不要將輸出電壓增加到穩(wěn)壓器兩端壓降不足以充分調(diào)節(jié)輸出電壓的程度。

帶反饋的串聯(lián)調(diào)節(jié)器

為了提供比簡單射極跟隨器更高的性能水平，可以在電壓調(diào)節(jié)器電路中添加更復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)。這是通過對輸出進(jìn)行采樣，將其與參考進(jìn)行比較，然后使用某種形式的差分放大器反饋差異以糾正誤差來實(shí)現(xiàn)的。

可以將簡單的兩個晶體管電路用于具有電壓檢測和反饋功能的串聯(lián)調(diào)節(jié)器。雖然使用運(yùn)算放大器非常簡單，它將提供更高水平的反饋，從而提供更好的調(diào)節(jié)，但這個雙晶體管電路很好地說明了原理。

在該電路中，TR1 構(gòu)成串聯(lián)傳輸晶體管。第二個晶體管 TR2 用作差分放大器，在參考二極管和檢測到的輸出電壓之間提供誤差電壓，該輸出電壓與電位器設(shè)置的輸出電壓成比例。電阻器 R1 為 TR2 的集電極和電壓基準(zhǔn)二極管 ZD1 提供電流。

參考電壓

任何線性穩(wěn)壓器都只能與用作系統(tǒng)內(nèi)比較基礎(chǔ)的電壓基準(zhǔn)一樣好。

雖然理論上可以使用電池，但這對于大多數(shù)應(yīng)用來說并不令人滿意。相反，基于齊納二極管的參考幾乎被普遍使用。

集成電路穩(wěn)壓器和參考使用復(fù)雜的晶體管和電阻片上組合來獲得溫度補(bǔ)償和精確的電壓參考源。

電壓基準(zhǔn)必須由未穩(wěn)壓電源驅(qū)動。由于存在啟動問題，因此不能從穩(wěn)壓輸出中獲取。啟動時沒有輸出，因此參考輸出將為零，并且會一直保持到參考啟動。

有趣的是，可以看到基本齊納二極管類型的基本電壓基準(zhǔn)是并聯(lián)穩(wěn)壓器，而不是串聯(lián)穩(wěn)壓器。然而，此電壓參考隨后用于驅(qū)動串聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

參考源的輸出通常通過分壓器饋送。這不僅降低了通常非常有用的輸出電壓，而且還允許在輸出端添加一個電容器，以幫助消除可能存在的任何紋波或噪聲。降低的電壓也很有用，因?yàn)樽钚‰妷狠敵鲇蓞⒖茧妷簺Q定。

集成電路線性穩(wěn)壓器

有很多優(yōu)秀的集成電路可以很容易地設(shè)計(jì)串聯(lián)穩(wěn)壓器。它們中的許多已經(jīng)存在了好幾年，因此它們隨處可見而且非常便宜。

著名的 78xx 系列、LM317、LM340 系列等集成電路提供了一種非常簡單的方法來創(chuàng)建簡單但非常好的線性穩(wěn)壓器。

這些特殊電路是三端穩(wěn)壓器，一個用于輸入，一個用于輸出，一個公共端接地或連接到電阻網(wǎng)絡(luò)以提供電壓反饋。

? 74xx 系列和 LM340 系列穩(wěn)壓器電路

78xx 系列穩(wěn)壓器非常有名，已經(jīng)面市多年。它們有多種電壓可供選擇，“xx”被替換為所需的電壓。

這些穩(wěn)壓器是簡單的三端器件，但除了電壓調(diào)節(jié)之外，它們還具有大量集成功能：內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全區(qū)域補(bǔ)償，使它們幾乎堅(jiān)不可摧。

該穩(wěn)壓器電路非常簡單，使用的電子元件很少。

這是用于任何 7800 系列穩(wěn)壓器的基本電路。它非常成功，除了顯示的基本操作之外不需要額外的組件。

LM340 系列實(shí)際上與 78xx 系列相同，只是它們的規(guī)格稍高，輸出電壓的公差更小。

? LM317 穩(wěn)壓電路

LM317 穩(wěn)壓器 IC 是一款可調(diào)節(jié)的 3 端正穩(wěn)壓器，可用于電路設(shè)計(jì)，可在 1.2 V 至 37 V 的輸出電壓范圍內(nèi)提供超過 1.5 A 的電流。

這假定輸入電壓使得輸入和輸出之間可以獲得足夠的電壓降，以便在所需的輸出電壓下提供足夠的調(diào)節(jié)。

LM317 提供了基本的電子元件來創(chuàng)建一個非常簡單但有效的可變電壓調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)非常簡單，需要兩個外部電阻器來設(shè)置輸出電壓。

除此之外，該 IC 還集成了內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全區(qū)域補(bǔ)償功能，使其非常可靠且?guī)缀蹼y以損壞。

鑒于可以使用兩個外部電阻來設(shè)置輸出電壓的方式，可以將穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)成具有可編程輸出穩(wěn)壓器或在調(diào)節(jié)和輸出之間連接一個固定電阻，LM317可以用作精密電流調(diào)節(jié)器。

低壓差串聯(lián)穩(wěn)壓器

任何穩(wěn)壓器的考慮因素之一是必須放置在串聯(lián)調(diào)整元件上的電壓。對于線性穩(wěn)壓器，通常需要在串聯(lián)傳輸元件上有一個顯著的壓降，以實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)節(jié)和噪聲抑制。例如，輸出為 12 伏的線性穩(wěn)壓器可能設(shè)計(jì)為具有 18 伏或更高的輸入電壓。

對于任何線性穩(wěn)壓器，在穩(wěn)壓器“退出”之前，串聯(lián)元件上都需要一個最小電壓。在許多線性穩(wěn)壓器集成電路中都可以看到這種壓降。

在某些電路中，具有低壓差穩(wěn)壓器很重要。如果可用的輸入電壓不是特別高，則使用低壓差線性穩(wěn)壓器可能很重要。它需要很好地調(diào)節(jié)，盡管它兩端的電壓有限。

穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)的提示和技巧

可以遵循一些有用的提示和技巧，以幫助確保線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)符合預(yù)期。

器件耗散： 串聯(lián)穩(wěn)壓器可以散發(fā)大量熱量。因此，有必要確保串聯(lián)穩(wěn)壓器裝置能夠處理功率，除此之外，它還具有足夠的散熱能力，無論這可以如何布置。

還必須確保整個電源的溫升不會因散熱而升高，因?yàn)檫@可能會影響可靠性。如果電解電容器在炎熱的環(huán)境中運(yùn)行，它們的性能尤其會下降得更快。

串聯(lián)穩(wěn)壓器壓降是否足夠： 為了實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓器晶體管、FET 或 IC 上必須有足夠的壓降。電壓調(diào)節(jié)器 IC 的數(shù)據(jù)表中將引用最小壓降。

輸入是否充分去耦： 在某些情況下，穩(wěn)壓器 IC 的導(dǎo)線長度可能較長，建議在輸入到地之間使用一個小的去耦電容器。如果不這樣做，IC 會振蕩。

輸出端是否有足夠的電容： 為了改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)，可以在輸出端放置一個電容器。這通?？赡苁?0.1μF 到 1μF 的數(shù)量級，具體取決于電路。如果穩(wěn)壓器 IC 用作穩(wěn)壓器電路的基礎(chǔ)，則數(shù)據(jù)表中會建議最佳值。

走線和導(dǎo)線是否足夠電流： 在印刷電路板中使用小走線非常方便，以確保所有電子元件和鏈接電路都可以包含在電路板上。但是，在可能會遇到較高電流水平的情況下，必須確保任何軌道都可以承載電流，而不會耗散過多的熱量或降低電壓。

如果使用普通布線，情況也是如此 - 細(xì)線會以與印刷電路板上的 think tracks 相同的方式降低電壓。

輸入電路和平滑電路能否提供足夠的電流： 在線性穩(wěn)壓器電路本身之前，平滑電路提供了整個電源的基本要素。這必須能夠提供所需的電流，而電壓不會下降得太低。隨著更多電流的消耗，紋波也會增加。

必須始終確保最小電壓始終足以運(yùn)行穩(wěn)壓器 - 有時紋波中的波谷可能會低于穩(wěn)壓器令人滿意運(yùn)行的最小值。在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路時必須考慮這些因素。

是否包含電流限制： 電流限制是現(xiàn)代穩(wěn)壓器電路的基本要素，如果可能，應(yīng)該包含一個。大多數(shù)穩(wěn)壓器 IC 都包含電流限制，但使用分立元件的電路需要在設(shè)計(jì)中加入此功能。

具有限流能力將防止電源本身損壞，如果發(fā)生短路或其他過載情況，也可以防止被驅(qū)動的負(fù)載損壞。

是否包含過壓保護(hù)： 在某些情況下，穩(wěn)壓器可能會發(fā)生故障，并且穩(wěn)壓器的全輸入電壓可能會施加在負(fù)載上。這可能會損壞被驅(qū)動的電路。具有過電壓保護(hù)可以避免對被供電的電子電路造成重大損壞。

這些只是設(shè)計(jì)或構(gòu)建電源線性穩(wěn)壓器電路時需要考慮的一些設(shè)計(jì)預(yù)防措施。它們通常很容易克服，它們可以作為設(shè)計(jì)清單，甚至可以添加到其中。

雖然此處顯示的電路是簡單的晶體管電路，但在更大的電路和集成電路中也使用相同的原理。相同系列的傳遞穩(wěn)壓器概念以及參考二極管電路、采樣和其他區(qū)域都使用相同的元件。

此處使用的概念實(shí)際上用于線性穩(wěn)壓電源，它可以提供非常好的性能水平。線性穩(wěn)壓電源比開關(guān)模式電源更大更重，但它們以低噪聲和良好的輸出調(diào)節(jié)而著稱，沒有某些開關(guān)模式電源所具有的尖峰。

審核編輯黃宇