线性电源的原理与设计
线性电源的原理与设计
线性电源是电子设备中常见的电源解决方案，其工作原理基于半导体器件在线性区域的特性。本文将详细介绍线性电源的工作原理、实现方式、关键参数以及LDO稳压器的特点，帮助读者全面理解这一重要电源技术。
一、线性调整器的工作原理
线性稳压器的核心在于通过一个工作在线性区域的三极管来实现电压调节。电源通过这个三极管形成一个可变电阻，对输出负载进行分压。通过输出电压的反馈机制，可以控制三极管的导通程度，从而实现输出电压的稳定。
图1：稳压二极管稳压电源示意图
二、线性电源的实现方式
1. 稳压二极管调整电压
稳压二极管稳压电源适用于负载功率小于200mW的场景，对电压精度要求不高。这种方案的输出电压主要依赖于稳压二极管的选型，且稳压电压值会随温度变化而漂移，需要查阅器件手册以了解温漂特性。
2. 单晶体管串联电路实现线性稳压
图2：单晶体管串联稳压电路示意图
这种方案通过晶体管接成射极跟随器，利用稳压管提供基准电压，晶体管作为误差放大器。当负载电流增加时，基极电压上升，晶体管导通程度增加，从而维持输出电压稳定。三端稳压器就是基于这一原理设计的。
3. 三端稳压器
78系列（正电压）和79系列（负电压）三端稳压器是常见的固定输出电压稳压器，具有简单易用、内置过热保护和短路保护等特点。选择时主要考虑最大输出电流需求，具体参数需参考器件手册。
4. 输出可调式线性稳压器
可调式线性稳压器通过调整端（ADJ）实现输出电压的调节，内部通常包含NPN、PNP三极管或NMOS、PMOS管等模拟等效电阻。为了减小输出电压纹波，需要在调整端与地之间接入多个10uF电容器。
三、线性电源输出电容与输入电容
线性稳压器的稳定性很大程度上取决于输出电容的容值及其ESR（等效串联电阻）。输出电容需要满足最小值要求（如22uF），且容差需控制在30%以内，以应对电容的压偏和温偏。输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应速度，而输入电容则用于保障供电稳定。
四、线性电源的关键参数
1. 调整电压
调整电压是指输出和输入电压之间的差值。最大调整电压需确保功率调整管在线性放大区工作，最小调整电压则决定了是否需要使用低电压差调整电源（LDO）。
2. 线性调整率（Line Regulation）
线性调整率衡量的是输出电压随输入电压变化的波动程度。测试时在输入电压全范围内测量输出电压，记录最大值和最小值，线性调整率越小说明性能越好。
3. 负载调节率（Load Regulation）
负载调节率反映输出电压随负载变化的波动情况。良好的电源设计应将负载变化引起的输出变化控制在3%-5%以内。
4. PSRR（Power Supply Rejection Ratio）电源纹波抑制比
PSRR表示电路对输入电压纹波或噪声的抑制能力，LDO产品尤其关注这一指标。计算公式为：PSRR = 20 * lg(Ripple(input) / Ripple(output))。
5. 静态电流
静态电流是在没有负载时电源自身消耗的电流，静态电流越大，电源效率越低。
6. 静态电流变化量
负载变化时静态电流随之变化，其变化量反映了电源在不同负载下的适应能力。
7. 输出噪声电压
输出噪声电压是在无外部干扰、输入电源稳定条件下的自身电路噪声，一般在微伏级别，设计时通常可以忽略不计。
五、LDO（Low Dropout Regulator）低压差线性稳压器
LDO稳压器具有低压差、低噪声、高PSRR等优点，封装小、成本低，适用于功耗不大的应用场合。LDO的关键指标包括输出噪声（如30uV）、PSRR（如60dB）、静态电流（如6uA）以及压降（如100mV）。
尽管线性电源存在损耗大、效率低、散热器体积大等缺点，但其结构简单、成本低、输出纹波小等特点使其在许多应用场景中仍具有不可替代的优势。