线性稳压器的基础

线性稳压器又称为三引脚稳压器或降压器等，由于电路简单而容易使用，是许多设计者以前早就耳熟能详的电源。

过去由分立器件所构成，IC化普及后变得既简便又小型，被使用在各种不同电源的应用中。

近年电子设备要求必须具有高效率，需要大输出功率的设备逐渐以开关电源为主流，不过简单又省空间且低噪声的线性稳压器则是哪里都用得到的电源。

本项从线性稳压器的工作原理开始，说明其主要规格与热计算。

线性稳压器基本上由输入、输出、GND引脚所构成，可变输出则在此增加反馈输出电压的反馈（feed back）引脚(参考图1)。

线性稳压器内部电路概述如图2所示。

基本上由误差放大器（误差检测用运算放大器）、基准电压源、输出晶体管所构成。

输出晶体管虽用Pch MOSFET，但也可使用Nch的MOSFET、双极的PNP、NPN晶体管。

图2:内部电路概述工作是完全模拟，是使用了运算放大器基本控制电路之一，即反馈（feed back）环路。

输入或负载变动后，即使输出电压开始变动，误差放大器也会连续比较来自稳压器输出电压的反馈电压和基准电压，调整功率晶体管使差分为零，将VO维持恒定。

这是反馈环路控制稳定化（调节）。

具体上如前所述，误差放大器非反转引脚的电压由于经常与VREF相同，故流向R2的电流将会恒定。

流向R1和R2的电流通过REF÷R2可以求得，故Vo将为此电流×（R1＋R2）。

这就是欧姆定律，公式如下：关键要点:・使用误差放大器的反馈环路控制让线性稳压器的输出稳定。

线性稳压器的电路构成虽然基本上为图5的反馈环路电路，不过压差电压会因输出晶体管种类而异。

标准型和LDO型有极大不同，而LDO型中更可分为3种。

使用双极NPN晶体管的LDO虽然品种不太多，但可以处理大电流。

甚至可达10A之高，但压差电压则为1V～2V以下，在LDO 中为高压类。

双极PNP晶体管的LDO目前是双极系LDO主流。

起初很难克服启动时的浪涌电流或电流容量问题，不过已逐渐改善。

输出晶体管使用MOSFET的产品可支持更低输出电压、以支持电池驱动应用产品的低功耗需求。

图5:基本电路和输出晶体管图6:输出晶体管和压差电压关键要点:・压差电压视因使用的输出段（控制）晶体管种类而异，故根据使用条件分开使用。

系列稳压器、三引脚稳压器、降压器、LDO。

这些想必有听过的名称全都是指线性稳压器。

除了这些名称，根据其功能或方式可以分成几类。

图3:线性稳压器的体系首先，大致分类的话可以分为正电压用和负电压用。

另外，负电压用种类并不多。

其下可分为固定输出型和可变输出型。

固定型有输入、输出、GND等3引脚，以标准型号78xx（正）、79xx （负）型为代表。

IC内置设定用的电阻，反馈引脚无须外露。

可变型如图1例所示，如果为GND基准型，反馈引脚会露出变成4引脚。

可变型还有无GND引脚的浮动工作317(正)、337(负)等类型，这些为3引脚。

固定和可变的又分为标准型和LDO型。

LDO是Low Dropout的简称，相对于标准型3V左右的压差电压(可进行稳定工作的最低输出输入电压差)，改良的1V以下的LDO，在3.3V电源IC问世时开始普及。

在12V转换至5V规格全盛时期，即使压差电压为标准型3V左右也没有什么问题，但如果需3.3V电源时就无法从5V产生3.3V，于是就诞生了LDO。

上述线性稳压器都为内置输出晶体管型，此外还有外置输出晶体管以便处理大电流的线性稳压控制IC。

图4:各种封装的使用其他还有按照制造工艺特征来分类。

一般双极工艺的线性稳压器多为35V或50V等高耐压品，消耗电流则多以几mA。

CMOS类最近也出20V等高耐压品，输入电压多设定在5V。

但消耗电流非常小，只有几十μA。

封装方面，线性稳压器注重散热，故使用热阻低的封装。

插件型以附散热片的TO-220，表贴型则使用散热片外露于背面的类型为主。

关键要点:・分正电压用和负电压用，各有输出固定型和可变型。

・LDO为输出输入间电压损耗低的类型，为支持电源电压更低而生。

・封装仍多使用附有散热片的插件型。

性稳压器的最大优点在于使用简单。

由于输入和输出各只附1个电容器工作，实质上或许可以说不需要设计。

换句话说，散热设计或许比电路设计麻烦（参考热计算1－6）项）。

此外，因为没有开关电源般的开关噪声，纹波抑制特性或电压噪声本身也小，所以在例如AV、通讯、医疗、测量等必须排除噪声的应用上较受欢迎。

图7:应用例缺点在于输出输入的电压差大则损耗就大，损耗几乎完全变为热能，某些条件下发热会非常大。

如果使用功率达几瓦以上等级，就必须常常面对发热的问题。

此外，线性稳压器只能降压。

负电压用的情况虽也相同，不过负电压经常被混淆，在此加以说明。

负电压用线性稳压器，例如输入功率为-5V时，无法输出更低的-12V。

由于电位从-5V降至-12V，电压从-5V朝-12V的负方向増加，故会朝负方向升压。

因此，可以做到的是以输入-12V达到输出-5V。

图8:优点和缺点关键要点:・充分了解优点／缺点后，与开关型一起进行比较探讨。

・如果条件充分，则线性稳压器在许多情况下是最佳选择。

这里所提的线性稳压器是IC（Integrated Circuit/集成电路），与其他的IC，例如运算放大器等，同样有表示特性或性能的规格。

规格的英语为Specification，有方法、标准、基准等含义。

线性稳压器的技术规格即规格表，其中有表示输出电压值及其精度等。

这些称为参数。

技术规格除了参数之外，还记载了最大额定值、工作保证条件、特性图表等非常重要的信息。

图-9为基本技术规格、规格确认点及规格表例。

绝对最大额定值定义为连一瞬间都不可超过的值。

其中虽然然有时会包含短路时间等时间概念的项目，不过基本上任何时间都不可超过，当然更没有±5%的公差值。

有时会出现：“超过的话会如何？”或“有多少余量？”等提问。

或许大家有兴趣知道，不过考虑绝对最大额定值的定义后就了解这问题并没有讨论的空间，应该探讨的是如何让使用上的最大值不超过最大额定值，或是使用较充裕的最大额定值。

保证规格值的条件非常重要，例如确认施加电压或温度等。

实际使用条件和规格要求条件未必一致。

例如，如果条件为Ta=25℃，其保证值则终究为Ta=25℃下的值。

然而，实际使用上并非Ta=25℃这样的恒温条件中。

因此，查看规格值时务必确认是否为某一点值、某范围，例如工作保证温度的值，然后再确认实际使用条件及接近设计设备工作条件的值。

附带的特性图表可有助于判断。

最后，规格值会记载最小值（Min）、最大值（Max）、标准值（Typ）的任何一值或全部。

其中，可以保证的只有最小值和最大值。

标准值根据特性分布或统计手法，数值有“大概这么多”的含义。

尽管基本上以规格值作为设计的基础，然而到底该使用哪个值来设计才好呢？标准值的大概是什么意思？原则上来说是要以最差条件的值为基准。

如何判断就需要靠设计者的诀窍与经验。

下面介绍线性稳压器中最起码必须了解和探讨的7项关键要点规格。

当然，其他规格也不能忽视。

除了线性稳压器外，充分阅读技术规格对设计者来说也非常重要。

图9:技术规格、规格的确认要点∙1) 输入电压范围∙2) 输出电压范围∙3) 输出精度（V REF精度）∙4) 输出电流∙5) 压差电压∙6) 瞬态响应特性∙7) 纹波抑制率关键要点:・绝对最大额定为必须严格遵守的重要项目。

・在设计上，所有工作温度范围内可保证的值是有效的。

・Typical值非保证值。

・充分阅读技术规格（不要仅限于电源IC的）也非常重要。

输入电压范围输入电压范围必须确认2个值。

最大额定值所显示的范围有“可输入”之意，施加电压的范围，并非表示在此范围内都会正常工作所以要默认不稳定电压的状况，并确认是否在范围内。

图10:输入输出的关系区别于最大额定，还有工作输入范围或推荐输入范围项目，故以后两者为目标。

图10为输入范围、输出范围、以及压差电压的关系。

有效输入范围为“输出电压＋压差电压到最大输入电压之间”。

线性稳压器只能降压，所以输入电压低于“输出电压＋压差电压”无法工作。

至于输入这种电压以下会如何则视IC电路构造而定，但大多会呈现“输入电压－压差电压”左右的电压。

不过并不能保证是否稳定工作。

如果输入电压更低时，一般认为会突然降至0V。

但在以电池驱动等应用，电路都会持续工作到电池耗尽，这类电池应用也会使用到低电压领域。

关键要点:・图10的关系须充分了解后设定输出输入条件。

输出电压范围图11输出电压范围为可变型的专用规格，固定输出型则没有。

输出电压范围，是指在支持可变上输出电压可设定的电压范围。

输出电压范围基本上其可变型可设定的最低电压为V REF。

V REF是1-1)项工作原理中已说明的误差放大器所连接的比较用基准电压。

工作电路无法处理低于基准电压（V REF）的电压。

V REF是IC的一部分，所以基本上无法从外部变更。

一般来说，CMOS系线性稳压器大概使用0.8V左右，而双极是使用1.2V左右的V REF。

这里必须注意的是，例如如果需要1V输出功率时，则不得选择1.2V的V REF。

图12话题回到输出电压范围，其最低电压为V REF f，最大为最大输入电压（V IN MAX）－压差电压（图10参考）。

输出输入条件可根据上述关系以计算求得，但有时会因功率损耗而受限制。

进行不超过Tj MAX的热计算，有时会因V IN、V OUT、I OUT、Ta的的条件而需要权衡。

关键要点:・通常无法将低于V REF的电压设定为输出。

・视设定条件而定，有时无法容许热损耗，故必须通过热计算来确认。

输出精度（V REF精度）图13输出精度为固定输出型输出电压的容许误差。

以前的标准为±5%，最近则大多为±1%的高精度。

输出精度与温度及输出电流密切相关，实际上的使用状况并非只在25℃，故设计时须参考全温度范围规格。

可变型方面，V REF精度合适，将成为IC本身的精度。

可变型的输出电压由于可用外置电阻来设定，因此，可变型的输出精度须于V REF的精度掺入输出设定电阻的误差。

关键要点:・可变型的输出电压精度受V REF精度及输出设定电阻的误差所影响。

・如果为通用电压，则最好使用固定型。

输出精度更高，且不必外置2个电阻。

输出电流输出电流的规格为保证可输出最低限电流的项目，基本上想必大多规定最小值。

视技术规格而定，有时以输出电流界限（Output Current Limit）来表现。

英语Limit的意义在此并非“限制”而是“界限”，如果可保证最小值，其意为“保证最小限度的电流值”，因此实际上为超过的电流。

必须注意的是，有时会因误认该值为限流值而破坏负载。

此外，有些IC会规定最小值和最大值。

此时最大值有电流被限制之意，为慎重起见，最好向厂商确认其限制值。