關(guān)于線性穩(wěn)壓器的常見問題

又到了每天的學(xué)習(xí)時(shí)間了，今天想要跟燒友們一起來學(xué)習(xí)下關(guān)于線性穩(wěn)壓器的常見問題。

首先了解下什么是穩(wěn)壓器？穩(wěn)壓器是使輸出電壓穩(wěn)定的設(shè)備。穩(wěn)壓器由調(diào)壓電路、控制電路、及伺服電機(jī)等組成。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路進(jìn)行取樣、比較、放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使調(diào)壓器碳刷的位置改變，通過自動(dòng)調(diào)整線圈匝數(shù)比，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。

那么線性穩(wěn)壓器又是什么呢？線性穩(wěn)壓器（Linear Regulator）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。

而在查找線性穩(wěn)壓器時(shí)，面對(duì)無限多的產(chǎn)品型號(hào)，利用參數(shù)搜索工具可以把選擇范圍縮小到少數(shù)幾個(gè)，看起來非常簡(jiǎn)單。需要什么樣的輸出電壓？負(fù)載電流是多少？承受的輸入電壓范圍如何？穩(wěn)壓器需要工作在什么壓差下？最大輸入電壓是多少？封裝和外部元件尺寸？

接下來，您已經(jīng)將范圍縮小到那些能夠滿足具體應(yīng)用的器件。但這并沒結(jié)束。在最終決定之前，5個(gè)因素還需要考慮。

1. 啟動(dòng)

大多數(shù)穩(wěn)壓器都配備了使能輸入，用于控制穩(wěn)壓器的上電或關(guān)斷，以節(jié)省功耗。帶有使能輸入的穩(wěn)壓器通常也帶軟啟動(dòng)功能。軟啟動(dòng)可防止穩(wěn)壓器打開時(shí)造成輸入電源過載。軟啟動(dòng)通常采用以下兩種方式之一。

電壓軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)是緩升輸出電壓。緩升輸出電壓會(huì)在輸出電壓上產(chǎn)生單調(diào)變化，當(dāng)下游電路開啟時(shí)不產(chǎn)生任何電壓瞬變。這樣也能防止負(fù)載多次進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，因?yàn)檩敵鲭妷簝H穿越負(fù)載欠壓門限一次。

將浪涌電流設(shè)置為小于最大負(fù)載電流的10%，為負(fù)載及任何額外輸出電容需要的電流提供了裕量。其缺點(diǎn)是輸入電流與負(fù)載變化有關(guān)，不能直接控制；優(yōu)點(diǎn)是能夠避免系統(tǒng)多次復(fù)位。

圖1. 電流軟啟動(dòng)和電壓軟啟動(dòng)對(duì)比

2. 靜態(tài)電流與壓差

如果系統(tǒng)由電池供電，穩(wěn)壓器的電源電流非常重要。負(fù)載電路可短暫工作，然后長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省功耗。此時(shí)，電池壽命很大程度上取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載的靜態(tài)電流。如果是這種情況，則要考慮選擇低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。

工作在最低壓差時(shí)的潛在問題是，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器輸出FET的柵極驅(qū)動(dòng)電路將消耗較大電流(圖2)。使得“待機(jī)模式”變?yōu)椤半姵乜焖俜烹娔Ｊ健薄?/p>

圖2. 最低壓差條件下，MG驅(qū)動(dòng)阻抗造成靜態(tài)電流增大

3. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載快速變化期間，多數(shù)穩(wěn)壓器都具備一定的能力使輸出保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。負(fù)載變化時(shí)，輸出FET柵極驅(qū)動(dòng)需要隨之變化。而柵極驅(qū)動(dòng)達(dá)到新水平所需的時(shí)間決定了輸出電壓的瞬態(tài)下沖或過沖。

滿載時(shí)的快速瞬變會(huì)造成最差情況下的瞬態(tài)下沖。選擇穩(wěn)壓器之前，須務(wù)必檢查瞬態(tài)響應(yīng)。與從1%滿載作為初始條件相比，從10%滿載開始通常會(huì)給出更好的結(jié)果；因?yàn)?0%負(fù)載預(yù)偏置與1%負(fù)載預(yù)偏置相比，輸出FET柵極電壓更接近其最終值。負(fù)載從空載變?yōu)闈M載，要想獲得較好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較困難。

這種狀態(tài)下，如果出現(xiàn)另一次負(fù)載階躍，輸出則出現(xiàn)下沖，比第一次更為嚴(yán)重。

圖3. 雙脈沖負(fù)載瞬變時(shí)的輸出下沖

4. 噪聲與電源抑制比(PSRR)

顯而易見，大多數(shù)設(shè)計(jì)用于低噪聲輸出的穩(wěn)壓器也具有優(yōu)異的PSRR。無論何種原因，負(fù)載對(duì)電源紋波都非常敏感。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，PSRR比輸出噪聲問題更嚴(yán)重。比如，一個(gè)線性穩(wěn)壓器的前端使用了降壓型調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓作為輸入，而其輸出端的負(fù)載又對(duì)噪聲非常敏感。例如圖4所示。

圖4. 輸出噪聲指標(biāo)變差主要取決于PSRR

對(duì)于較高的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲可能成為PSRR的決定因素。這是因?yàn)榉謮汉蟮姆答佪斎朐肼曉龃罅?。假如一個(gè)線性穩(wěn)壓器將噪聲較高的升壓轉(zhuǎn)換器的17V輸出轉(zhuǎn)換為噪聲較小的16V電源，紋波小于100uV。

圖5. 高壓輸出造成的噪聲性能下降

5. 輸入保護(hù)

線性穩(wěn)壓器的輸出調(diào)整管大多包含體二極管，該二極管可防止輸出比輸入高出0.7V以上。大多數(shù)情況下，該二極管不是問題，但在兩種情況下會(huì)引起麻煩。

反向電壓保護(hù)

有些情況下，輸入電壓可能接反，導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)，比如放置9V電池的兩個(gè)金屬觸點(diǎn)。盡管連接器能夠防止電池永久性反接，但在用戶更換電池時(shí)會(huì)有幾秒或更長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓。

反向電壓保護(hù)允許輸入引腳電壓低于地電位，不會(huì)吸收顯著電流。為達(dá)到這一目的，需要通過串聯(lián)開關(guān)將輸出FET的體二極管斷開。大多數(shù)穩(wěn)壓器都包括二極管，防止任何引腳電壓低于地電位，防止引腳發(fā)生靜電放電，即ESD。

為實(shí)現(xiàn)反向電壓保護(hù)，也需要去除該二極管的影響，并采取不同的保護(hù)器件，參見圖6。

圖6. 反向電壓保護(hù)