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线性稳压器的基础知识都在这里了

首先了解下什么是稳压器?稳压器是使输出电压稳定的设备。稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时,控制电路进行取样、比较、放大,然后驱动伺服电机转动,使调压器碳刷的位置改变,通过自动调整线圈匝数比,从而保持输出电压的稳定。


那么线性稳压器又是什么呢?线性稳压器(Linear Regulator)使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装,具有出色的性能,并且提供热过载保护、安全限流等增值特性,关断模式还能大幅降低功耗。


而在查找线性稳压器时,面对无限多的产品型号,利用参数搜索工具可以把选择范围缩小到少数几个,看起来非常简单。需要什么样的输出电压?负载电流是多少?承受的输入电压范围如何?稳压器需要工作在什么压差下?最大输入电压是多少?封装和外部元件尺寸?


接下来,您已经将范围缩小到那些能够满足具体应用的器件。但这并没结束。在最终决定之前,5个因素还需要考虑。


1. 启动


大多数稳压器都配备了使能输入,用于控制稳压器的上电或关断,以节省功耗。带有使能输入的稳压器通常也带软启动功能。软启动可防止稳压器打开时造成输入电源过载。软启动通常采用以下两种方式之一。


电压软启动


软启动是缓升输出电压。缓升输出电压会在输出电压上产生单调变化,当下游电路开启时不产生任何电压瞬变。这样也能防止负载多次进入复位状态,因为输出电压仅穿越负载欠压门限一次。


将浪涌电流设置为小于最大负载电流的10%,为负载及任何额外输出电容需要的电流提供了裕量。其缺点是输入电流与负载变化有关,不能直接控制;优点是能够避免系统多次复位。


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图1. 电流软启动和电压软启动对比


2. 静态电流与压差


如果系统由电池供电,稳压器的电源电流非常重要。负载电路可短暂工作,然后长时间处于待机状态,以节省功耗。此时,电池寿命很大程度上取决于稳压器和负载的静态电流。如果是这种情况,则要考虑选择低静态电流的线性稳压器。


工作在最低压差时的潜在问题是,驱动稳压器输出FET的栅极驱动电路将消耗较大电流(图2)。使得“待机模式”变为“电池快速放电模式”。


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图2. 最低压差条件下,MG驱动阻抗造成静态电流增大


3. 负载瞬态响应


负载快速变化期间,多数稳压器都具备一定的能力使输出保持在稳压范围内。负载变化时,输出FET栅极驱动需要随之变化。而栅极驱动达到新水平所需的时间决定了输出电压的瞬态下冲或过冲。


满载时的快速瞬变会造成最差情况下的瞬态下冲。选择稳压器之前,须务必检查瞬态响应。与从1%满载作为初始条件相比,从10%满载开始通常会给出更好的结果;因为10%负载预偏置与1%负载预偏置相比,输出FET栅极电压更接近其最终值。负载从空载变为满载,要想获得较好的负载瞬态响应比较困难。


这种状态下,如果出现另一次负载阶跃,输出则出现下冲,比第一次更为严重。


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图3. 双脉冲负载瞬变时的输出下冲


4. 噪声与电源抑制比(PSRR)


显而易见,大多数设计用于低噪声输出的稳压器也具有优异的PSRR。无论何种原因,负载对电源纹波都非常敏感。


使用开关稳压器时,PSRR比输出噪声问题更严重。比如,一个线性稳压器的前端使用了降压型调节器产生的电压作为输入,而其输出端的负载又对噪声非常敏感。例如图4所示。


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图4. 输出噪声指标变差主要取决于PSRR


对于较高的输出电压,线性稳压器的输出噪声可能成为PSRR的决定因素。这是因为分压后的反馈输入噪声增大了。假如一个线性稳压器将噪声较高的升压转换器的17V输出转换为噪声较小的16V电源,纹波小于100uV。


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图5. 高压输出造成的噪声性能下降

5. 输入保护


线性稳压器的输出调整管大多包含体二极管,该二极管可防止输出比输入高出0.7V以上。大多数情况下,该二极管不是问题,但在两种情况下会引起麻烦。


反向电压保护


有些情况下,输入电压可能接反,导致极性反转,比如放置9V电池的两个金属触点。尽管连接器能够防止电池永久性反接,但在用户更换电池时会有几秒或更长时间的反向电压。


反向电压保护允许输入引脚电压低于地电位,不会吸收显著电流。为达到这一目的,需要通过串联开关将输出FET的体二极管断开。大多数稳压器都包括二极管,防止任何引脚电压低于地电位,防止引脚发生静电放电,即ESD。


为实现反向电压保护,也需要去除该二极管的影响,并采取不同的保护器件,参见图6。


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图6. 反向电压保护

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