电源学习总结(二)——线性稳压主要特点及原理

2023-11-18

主要特点

线性稳压最为突出的优点主要有成本低噪声低体积小。由于线性稳压结构简单,生产相对容易,因此其生产成本可以很低,同时其需要的外围器件也很少,一般只需要在输入端和输出端各有一个滤波电容即可,既降低了电路设计和生产成本,也大幅减小了其占用的体积,市场上现在有很多1.3mm×2.9mm左右大小的三端稳压器。相较之下,如果使用开关电源设计电源,则可能其使用的电感体积已经超过三端线性稳压体积。同时,从其命名就可以看出,“线性”稳压器输出是线性的,这就能使其输出噪声极低,一般可以达到微伏级别,而类似的如果使用开关电源,由于半导体管不断开关,一般会引入毫伏级别、与工作频率同频率的纹波。

内部结构

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上图展示了三端稳压器的基本拓扑结构。

由于作者使用的仿真软件multisim没有自带的可调电源模型,因此上图左侧用简单的电阻分压和VCVS构造输出可调的直流电源。

上图右侧为一个目标输出3.3V的线性稳压器。输入电压经过由运放U1控制的稳压调整三极管Q1后输出,R1和R2为对输出采样的反馈电阻,R3和稳压管D1构成了输出基准电压的电路。假设运放同相端输入的基准电压为1V,根据运放“虚短”和“虚断”的特性可知此时反相端也为1V,该电压应与输出电压经过分压后的电压相等,从而得到等式R1/(R1+R2)×Vout=VRef,即

Vout=VRef×(R1+R2)/R1 (1)

代入对应电阻阻值可计算出此时输出电压为3.4V。从这里也能看出线性稳压“线性”的含义,即输出电压与输入电压线性相关。

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作者对模型进行了仿真,发现实际输出3.31V而非3.4V,选用的三极管和运放皆为理想器件,经检查发现稳压管实际输出为972mV而非1V,将Vref=0.972V代入式(1)可计算出输出电压应为3.3048V。

实际应用中输入电压的变化会改变稳压管的工作电流,由于实际稳压管不可能是斜率趋向于无穷的理想器件(即不论工作电流大小,输出电压都不变),其将会导致基准电压有细微的变化,从而影响输出,但一般影响很小可以忽略不计。如果要设计高精度电源,从式(1)可以看出降低输入电压与输出电压的比值可以消减该影响。

前文说到线性稳压的输出能力相对较弱,很大程度上是因为受到三极管可承受的最大电流限制。由于三极管自身特性,一般内阻较大,如果输入输出电压比过大,则电源效率会很低,元件发热严重,一般可近似估算线性稳压效率

η%=Vout/Vin (2)

且三极管有固定压降,线性稳压的datasheet中一般会给出一个参数说明输入输出压降VDropout(也可以理解为输入至少要比输出高VDropout,否则无法达到额定输出)。
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上图为仿真得到的输入输出电压关系,红色曲线为输入电压,黄色曲线为输出曲线。可以看出,输出电压始终小于等于输入电压,三端线性稳压为降压元件,当输入达到3.4V左右时,输出才达到目标的3.3V,输入小于3.4V时,输出与输入电压近似相等。当然,作者在这里使用了理想元件仿真,实际中输入电压小于临界值(Vout+VDropout)时,输出近似等于(Vin-VDropout),因此一般需要输入电压比输出高1V以上,具体视datasheet参数而定。

现在许多线性稳压都使用MOS管代替三极管,因为MOS内阻更小(作者使用过的MOS内阻最小能达到20毫欧左右),功耗更低(三极管是电流控制的电流源,控制端基极有电流有功耗;MOS是电压控制的电流源,控制端栅极功耗近似为零),且无压降(理想条件下,实际上因为内阻,当电流较大时还是能检测到压降的)。

常见的三端线性稳压:AMS1117

AMS1117应该是作者看到的应用最广泛的线性稳压芯片了,前文提到过他的一些历史遗留问题(详见 电源学习总结(一)——概览),市场上详见的AMS1117有5.0V、3.3V、1.8V、1.5V、1.2V等固定电压版本(1.8V、1.5V、1.2V等看上去比较奇怪的电压是因为工艺进步,现在各种元器件为了降低功耗输入电压越来越低了,当然也有部分是用作提供基准电压)和ADJ输出可调版本。
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上图是作者从某一版本的AMS1117(datasheet)中找到的其内部功能框图,虽然看上去比作者前面提到的原理图复杂许多(一看就是国产魔改本部(lll¬ω¬)datasheet都是中文的),但实际上原理是一样的,最右侧两个三极管类似达林顿管,可以提高输出能力,相当于前面提到的稳压调整管,用于输出,前级实现了比较和过流保护等其他功能。图中的英文意为若使用固定电压版本,则连接F1和F2,断开A;若使用输出可调版本则连接A,断开F1和F2,这是芯片出厂时就确定好的。从图中可以看出,固定电压版本实际上将分压反馈电阻集成在了内部,而电压可调版本则需要设计人员自己在外部配置,典型应用电路如下图所示
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图中给的公式较为复杂,但实际上配置结果是使得R1(注意是R1不是R2)两端电压等于基准电压,AMS1117基准电压典型值一般为1.250V。
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By the way,作者还在该版本AMS1117的datasheet中发现了一个历史遗留问题,也许大概可能是“魔改”造成的吧(_)

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当然AMS1117的“魔改”版本还有很多,作者举例说明的这个版本并不是最好的,而是就其典型性发表一点自己的看法。实际上个人设计人员(或者学生党之类的)一般在某宝购买元件时,卖家很多时候并不会注明其出售的AMS1117版本,因此使用过程中可能会触发一些神奇的bug(一位踩坑经验丰富的作者路过,ԾㅂԾ,),但多数时候尤其是对一些电源要求不高的应用都能正常工作,关键是AMS1117是真的便宜!!!
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Multisim仿真文件下载地址:

  1. 线性稳压拓扑结构
    链接:https://pan.baidu.com/s/1-uQV3BkN4muky2ELPbXrwA
    提取码:a757
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