【模电】0015 线性稳压电源的原理及分析

本节我们开始讲电源相关的电路，由于这个系列属于模电，我们仅限于讲直流电源。

直流电源大致可分为线性电源和开关电源，二者的从原理上区分，主要在于其电路中的主功率输出管（三极管或mos）工作的状态不同，线性电源工作在线性区（也即放大区），而开关电源工作在开关区（也即饱和区和截止区）。

1）线性电源的原理

一个简单的线性电源的原理图如下所示：

主要分为三个部分：

a）基准电压源，为电路提供一个不随外界变化的参考电压；图中是最左边的稳压管和电阻实现的，可以实现当输入电压发生变化时，供给后端的参考电压大致保持不变；

b）比较放大电路，用于实现将基准源和输出电压（或输出电压的分压）比较，将误差放大之后去控制调整管；图中是运算放大器实现的；

c）调整管，也就是主输出的功率管，用于控制输出电压；图中Q1是调整管；

d）输出取样电路，从输出端电压取样后，送给放大电路比较；图中是R2和R4将输出分压后得到的。

整个电路的工作过程如下：

当输入电压升高时，会使得输出电压Vo有升高的趋势；Vo升高会使得Vn升高；而由于Vref基准电压源基本不变化，Vn升高会使得运放的输出降低；调整管Q1工作为射级跟随器的状态，其基极电压降低时，即会使得射级电压Vo也降低，抑制了Vo升高的趋势。

当输入电压降低时，分析结果也是一样的，电路会抑制Vo降低的趋势。

所以，该电路能够保持输出电压Vo的稳定。

由于运放的输入虚短特性，可以认为Vn=Vref，所以其输出Vo=Vn*(R3+R4)/R4=Vref*(R3+R4)/R4。图中电路的参数计算如下：

Vref=6.2V，则Vo=6.2V*(1k+1k)/1k=12.4V，与仿真结果是相符的。

如果想要调整输出电压Vo，最简单的方法是改变图中R2和R4的比值。

2）线性电源的效率

一般情况下，相比于输出电流I，线性电源自身的基准电压源、放大器、取样等电路消耗的功率比较小，工程实现时经常忽略不计，即可以认为线性电源的输入电流和输出电流大致相等，而线性电源自身的功耗可以认为就是调整管上的功耗。

整个电路的功耗为调整管功耗+负载RL上的功耗，又由于调整管上的电流和负载RL上的电流近似相等，所以线性电源的效率近似为：

η = Po/Pi = Vo*I/(Vi*I) = Vo/Vi

即线性电源的效率近似为输出电压比上输入电压。

以1）中仿真图的参数计算，则效率近似为η = 12.4/24 = 51.7%；输出电流为 I = Vo/RL = 124mA；则线性电压自身的功耗可以近似为124mA*（24V-12.4V）= 1.4384W。

3）线性电源的特性

由上述电路分析可以知道，线性电源的调整管工作在放大区，调整管分掉了部分电压，使得输出Vo得到稳定，所以，线性电源的输出总是会比输入电源低一些（如果是调整管三极管则是CE级的压降，如果是MOS管则是DS间的压降），一般至少会低1~2V，也有低压差的线性电源可以做到只低0.3~0.5V，这种低压差的线性电源专业术语简称为LDO（low dropout regulator）。只能用于降压电路。

线性电源是由调整管分压来实现输出电压稳定的，也即是有（Vi-Vo）的电压是加在调整管上的，如果输入电压Vi比输出电压Vo高出比较多，则会有大部分的压降消耗在调整管上，使得线性电源的效率降低。有时候其自身功耗很大时，需要加散热片。

另外线性电源由于结构简单，整个反馈环路只有分压电阻、运放、调整管，响应速度非常快，对于纹波的抑制和瞬态响应都有很好的效果；也是因为它的原理简单，电路的稳定性和可靠性都比较高。

4）常用的线性电源举例

常用的固定输出的线性电源有：78xx系列，1117系列等。78xx系列有5V、9V、12V、15V等多种电压输出，如7805就是输出固定5V的具体型号；1117一般用于电压较低的场合，有5V、3.3V、2.5V等多种电压输出。

使用线性电源时，需要注意以下几点：

a）输入电压不能高于线性电源的最大输入电压；

b）输出电流不能大于线性电源的最大输出电流；

c）输入输出的压差不能太小，确保输入电压高于输出一定的电压，如78xx系列要求至少高出2V，1117系列的要求高出1V，某些低压差的线性电源（LDO）可以低至0.3~0.4V，这个数值需要查阅芯片手册获取，这类常用的芯片很多芯片厂家都有生产，各家的参数会有细微不同；

d）线性电源自身的功耗不能太大，可以用 (Vi-Vo)*I 这个公式来估算自身的功耗，如果比较大，会发热严重，可能会热保护或者烧坏芯片，则需要增加散热片。

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