线性电源的原理与设计
线性电源的原理与设计
线性电源是电子系统中常见的电源管理方案，其工作原理基于半导体器件在线性区域内的电压调节。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（Low Dropout）稳压器的特点。
一、线性调整器的工作原理
线性电源的工作原理基于半导体器件在线性状态下的电压调节。电源通过一个三极管处于放大区，等效为一个可以变化阻值的电阻，对输出负载进行分压。通过输出电压分压后的反馈，来控制三极管实现输出稳压。
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小于200mW的局部电压调节场景，对电压精度要求不高。稳压电压值会随温度漂移，需查稳压二极管的器件手册查看温漂特性。
这个方案输出电压依赖器件选型。
2. 单晶体管串联电路实现线性稳压
单晶体管串联稳压电路采用射极跟随器结构，在稳压管电流比较小的情况下，向负载提供很大的电流。晶体管作为误差放大器。当负载电流增加时，基极的电压提高，晶体管的导通程度增加，从而使电压恢复到原来的值。三端稳压器就是采用的这个原理。但是这个电路时依赖的稳压二级管稳定电压，所以仍有一定的离散型和不稳定性。
3. 三端稳压器
78正/79负系列三端稳压器应用简单，具有内部过热保护、输出端电流短路保护、输出半导体管保护等保护功能。一个输入，一个输出，一个GND。一般不会发生但可能会发生的问题：防止产生自激振荡。若不需要调整输出电压，则可选用固定电压的稳压器。三端稳压器最重要的参数就是需要输出的最大电流值，这样可以大致确定出集成电路的型号。具体型号的具体参数看datasheet。
4. 输出可调式线性稳压器
在其线性区域内运行的晶体管或MOS管，从应用的输入电压中减去超额电压，产生经过调节的输出电压。在使用可调式稳压器时，为减小输出电压纹波，应在稳压器调整端与地之间接入多个10uF电容器。内部原理图：（暂未放置）一般具有3-8个端子Vin输入端，EN使能端、VO输出端、ADJ调节端、GND接地端、NC不连接。具体的连接看具体的器件手册。随着发展，模拟等效电阻的有NPN三极管、PNP三极管、NMOS管、PMOS管。具体每一种的性能：（暂未细节实验研究）
三、线性电源输出电容与输入电容
像所有控制系统一样，线性稳压器不稳定性很大程度取决于该系统的两个参数：输出电容的容值及其ESR。对输出电容的要求，每个线性稳压器的都会注明。例如要求电容最小值为22uF，并且电容误差小于30%（需要考虑电容的压偏和温偏）。输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应，输出电容提供瞬变所需的负载电流，负载瞬态越小，即毛刺越小。输入电容也是为了保障供电稳定用的。
四、线性电源的关键参数
1. 调整电压
输出和输入的电压差。最大值：维持功率调整管处在线性放大区，必须满足：
损耗公式：
最小值：需要满足最小调整电压。如果要求很小，就使用低电压差调整电源LDO
2. 线性调整率（Line Regulation）
线性调整率是指满载时，输出电压随输入电压的线性变化的波动。输入电压在额定范围内变化，此时输出电压受到输入电压变化的影响而产生的变化。
nor输入电压为常态值，输出为满载时的输出电压，可用输出电压标称值；max输入电压变化时的最高输出电压(输入电压最大时的输出电压)；min输入电压变化时的最低输出电压(输入电压最小时的输出电压)；
检验方法：输出全满载，在输入电压全范围内测量输出电压，观察示波器及万用表，记下输入电压全范围变化时的输出电压最大值和最小值。线性调整率越小，输入电压对输出电压的影响越小，说明性能越优。
3. 负载调节率（Load Regulation）
也称负载效应，是指输出电压随负载变化的波动，条件是输入额定电压。好的电源负载变化引起的输出变化会减到最低，通常为3%-5%。
注释：Vml最小负载时的输出电压、Vfl满载时的输出电压、Vhl半载时的输出电压。如果只是简单计算Load Regulation，Vhl可以用Vrated(标称电压)来代替
检验方法：输入额定电压，分别在负载为空载、全满载两种输出的情况下，负载进行反复切换，观察示波器及万用表，测量输出电压幅值和波形，记下却换过程中的输出电压的最大值和最小值。
4. PSRR（Power Supply Rejection Ratio）电源纹波抑制比
PSRR越大，说明输出电压越不受输入电压波动的影响。PSRR反映了电路对纹波或噪声的抑制能力，这个纹波可能是50Hz的交流干扰，也可能是DC/DC转换器的开关噪声。LDO产品比较关注PSRR的指标。
Ripple(output)为输出电压中纹波峰峰值，Ripple(input)输入电压中的纹波峰峰值。如果一个电路输入叠加的电压峰峰值是500mV,输出电压纹波峰峰值是0.1mV，那么PSRR=20*lg(500/0.1)=73.68(dB)
5. 静态电流
当负载无穷大的时候，其自身产生的电流，这个静态电流产生的功耗就是电流的静态功耗。静态功耗越大，电源效率越低。
6. 静态电流变化量
负载变化后，静态电流随之而变。静态电流的变化量表示静态电流的变化范围
7. 输出噪声电压
在没有外部干扰，且输入电源稳定，其自身电路特性造成的噪声电压。越小越好，一般uV级别，设计时忽略不计。
五、LDO（Low Dropout Regulator）低压差线性稳压器
低压差、线性、稳压器。在LDO的数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压降。在其他工作条件下，压降可以通过计算求出。LDO的优点：一般的LDO封装都比DC/DC小得多，并且成本也低得多。成本低、噪声电压小、电压调整值低、电源纹波抑制比高、静态电流小；需要的外界元件也很少。LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声为30uV，PSRR为60dB，静态电流为6uA(有的可以达到0.5uA)。压降只有100mV(有的芯片厂家推出了0.1mV的LDO)
线性电源的缺点：损耗大、效率低、只能实现降压、散热器体积大、输入输出电压范围适应性差。不可以隔离。一般用于功耗不大的应用。