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线性电压调节器

2018-08-21 10:06:54     所属分类:电子学

线性电压调节器英语:Linear regulator),又称线性稳压器线性调节器,是一种元件,作用是保持电压稳定。稳压器的电阻会因应负载及输入电压的变化,以达至输出电压稳定不变。其动作尤如一不停自动调节阻值的可变电阻,使之与负载得出的分压保持固定,而过程中因输出与输入电压差而多出的能量则以发热的形式消散掉。而开关式稳压器是不停高速地在导通/断开之间切换,使得输出的平均值保持在所需电压值。输入线性稳压器的电压必须高于输出电压,好让稳压器内能作出降压作用以达至输出稳定,因此效率受限制。

线性稳压器可以是置于电源和负载之间(串联稳压器),或与负载并联(并联稳压器)。简单的线性稳压器可以只包含齐纳二极管和一枚串联电阻器;更复杂的线性稳压器包含多个组成部分:参考电压、误差放大器和功率传输元件。由于线性稳压器被广泛应用,因此多被制成集成电路,但也可以固态电子器件或真空管等分立元件构成。

总述

78xx:一种常见的线性调节器类型。

以晶体管(或其它器件)调节流过负载的电流,负载所得的电压就是稳压器的输出电压。比较输出电压与稳压器内部的参考电压,所产生的差动信号用作控制晶体管,形成一个负反馈回路,加上适当的补赏,输出电压就能调整下降至目标电压,不受输入电压或负载变动影响,并保持合理地稳定。

线性稳压器必须在输入电压高于输出不少于某电压值时输出才能稳定至目标电压,这个最少的电压称为压降电压、下压降、电压差(dropout)。例如常用的7805,作用是把输出保持在5V,但输入必须保持在7V以上,否则输出就会低于目标电压5V以下,故其压降电压就是7V-5V=2V。由于须有压差的存在,线性稳压器效率大都很低:因为其原理就是要将多于稳定电压下负载所需的能量,在晶体管内以散发热能的形式消耗掉。而晶体管发热所造成的功率损失就是电流乘以晶体管两端压降。

这个问题在低输出电压的情况尤其严重,假若输出要求为2V,而压降电压同是2V,效率就必是在2V/(2V+2V)=50%或以下,这样低的效率,在实际应用上多不为接受。这情况下就需使用低压差稳压器(LDO),其压降电压特别低,一般都在300mV(0.3V)或以下,这种情况在微处理器的电源中常遇见。这也是为何机乎所有低输出电压的线性稳压IC都是低压差稳压器。

开关电源可以更有效地达至相同的功能,但成本较高及有开关噪声,在轻负载、输出电压较高或输出电压接近电源电压的情况下,线性调节器的效率也不俗,有可能是合适的选择。线性调节器还具有的优点是:不需要磁性器件(电感器或变压器),磁性器件可能相对昂贵或占空间;设计更简单,噪声也更低。线性调节器的一些设计仅适用晶体管、二极管和电阻器,这就更容易制造到集成电路中,进一步减小它们的质量、在PCB上的占位面积和成本。

线性调节器有两种基本形式:串联调节器并联调节器

  • 串联调节器:更常用的形式。串联调节器通过提供经由可变电阻的从电源电压到负载的路径来运行(主要晶体管在分压器的“上半”部中)。由调节器件所耗散的功率等于电源输出电路乘以在调节器件中的压降。
  • 并联调节器:通过提供经由可变电阻的从电源电压到地的路径来运行(主要晶体管在分压器的“下半”部中)。将流经并联调节器的电流从负载转向出来,并且无用地流向接地,使其比串联调节器更没效率。然而,该形式更简单,有时仅由参考电压二极管组成;并且用于很低功率的电路,其中耗费电流很小可以忽略。这种形式常用于电压参考电路。

保护功能

若负载超出线性稳压器设计的承受能力时,可能会导致稳压器永久损坏,为了避免损坏稳压器,线性稳压器可以但不一定俱备以下保护功能,包括:

  • 电流限制英语Current limiting,例如恒流限制(constant current limiting)及递减电流限制英语Foldback (power supply design)(foldback current limiting)
  • 过温度保护(或称热关断)
  • 安全工作区保护,即限制功率晶体运作于预定的电流及电压的工作条件之内,以确保能正常工作及不会导致损坏。这些工作条件包括连续及瞬间脉冲状态下的最高电压、电流、温度、功率。

参见

  • 78xx - 一种常见的线性调节器类型。
  • LM317 - 与78xx类似的线性稳压器芯片可配置输出电压。
  • 低压差稳压器 (LDO)
  • 开关电源

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