IC先生：线性稳压器电路 设计之串联调节器

串联稳压器或有时称为串联调节器是最常用的电路设计方法，用于在线性稳压电源中提供最终电压调节。

串联线性稳压器提供了高水平的性能，特别是当稳压输出需要低噪声、纹波和瞬变时，电路通常相对容易设计。

有多种使用分立电子元件的线性稳压器电路，这些元件通过串联传输元件提供调节 - 串联传输技术是电源装置中使用最广泛的技术。

这意味着在进行电源的电子电路设计时，串联稳压器有很多选择。

可以在电路设计中使用许多稳压器IC或芯片之一。这些 IC 应用广泛，价格也相当便宜，是许多线性稳压器电路的理想选择。

串联稳压电路基础知识

串联稳压器或串联导通稳压器使用与负载串联放置的可变元件。通过改变串联元件的电阻，它两端的压降可以发生变化，以确保负载两端的电压保持恒定。

串联稳压器的优点是，消耗的电流量实际上是负载使用的电流量，尽管有些电流会被与稳压器相关的任何电路消耗。

与并联稳压器不同，即使负载不需要任何电流，串联稳压器也不会消耗全部电流。因此，串联稳压器的效率要高得多。

它不是汲取负载不需要的电流来维持电压，而是降低输入电压与所需稳定电压之间的电压差。

为了保持足够的调节水平和抑制可能出现在输入电压上的噪声和瞬变，串联线性稳压器需要降低一个显着的电压。

许多高质量、低噪声和纹波稳压器需要在串联稳压器元件上施加几伏电压。这意味着该组件会耗散大量功率，串联调整器器件以及整个电源都需要良好的散热和散热能力。

尽管串联稳压器的效率比并联稳压器高得多，但它的效率却比开关模式电源低得多。

串联稳压器和使用它们的任何线性电源的效率将取决于负载等因素，但通常能达到低于 50% 的效率水平，而开关模式电源可以达到高于 90% 的水平。

与开关模式电源相比，串联稳压器的效率水平相对较低，但它们具有简单的优点，而且它们的输出没有某些开关模式电源上出现的开关尖峰，尽管 SMPS正在改进并且性能现在很多都特别好。

简单的射极跟随器稳压器

简单晶体管射极跟随器稳压器的电子电路设计非常简单。该电路本身并未广泛用于线性电源，但可用于其他设备以从更高的电压轨提供降压等。

该电路使用射极跟随器配置形式的单通晶体管，以及由未稳压电源的电阻器驱动的单个齐纳二极管或其他稳压二极管。

这提供了一种简单形式的反馈系统，以确保在输出端保持齐纳电压，尽管电压降低等于基极发射极结电压——硅晶体管为 0.6 伏。

像这样设计串联旁路稳压器电路是一件简单的事情。知道负载所需的最大电流，就可以计算出最大发射极电流。这是通过将负载电流（即晶体管发射极电流）除以晶体管的β或hfe来实现的。

齐纳二极管通常至少需要 10mA 左右的电流才能使小型齐纳二极管保持其稳定电压。然后应根据未稳压电压、齐纳电压和所需电流的知识计算电阻器以提供基极驱动电流和最小齐纳电流。[（未稳压电压 - 齐纳电压）/电流]。

值得注意的是，应该给电流加上一个小的余量，以确保负载时有足够的余量，从而使晶体管基极承受全电流。

齐纳二极管的功率耗散能力应在负载电流为零的情况下计算，因此基极电流为零。在这种情况下，齐纳二极管需要承受串联电阻器通过的全部电流。

有时，可能会在齐纳二极管或电压参考二极管两端放置一个电容器，以帮助消除噪声和可能发生的任何电压瞬变。

输出采样

简单的射极跟随器串联稳压电路直接将输出与电压基准进行比较。这样，输出电压等于参考电压，忽略了基极发射极压降。

然而，可以通过对输出电压的一部分进行采样并将其与参考电压进行比较来提高稳压器的性能。

像运算放大器这样的差分放大器可以用于此功能。如果这样做，则输出电压将变得大于参考电压，因为电路中的负反馈会努力使两个比较电压保持相同。

例如，如果参考电压为 5 伏，采样或分压器提供 50% 的输出电压，则输出电压将保持在 10 伏。

可以使分压或采样可变，这样就可以将输出电压调整到需要的值。通常这种方法只用于小的调整，因为通过这种方法获得的最小输出电平是等于参考电压的输出。

应该记住，使用分压器会降低反馈环路增益。这会降低环路增益，从而降低调节性能。通常有足够的环路增益，这不会成为主要问题，除非只有很小一部分输出被采样。

还应注意不要将输出电压增加到稳压器两端压降不足以充分调节输出电压的程度。

带反馈的串联调节器

为了提供比简单射极跟随器更高的性能水平，可以在电压调节器电路中添加更复杂的反馈网络。这是通过对输出进行采样，将其与参考进行比较，然后使用某种形式的差分放大器反馈差异以纠正误差来实现的。

可以将简单的两个晶体管电路用于具有电压检测和反馈功能的串联调节器。虽然使用运算放大器非常简单，它将提供更高水平的反馈，从而提供更好的调节，但这个双晶体管电路很好地说明了原理。

在该电路中，TR1 构成串联传输晶体管。第二个晶体管 TR2 用作差分放大器，在参考二极管和检测到的输出电压之间提供误差电压，该输出电压与电位器设置的输出电压成比例。电阻器 R1 为 TR2 的集电极和电压基准二极管 ZD1 提供电流。

参考电压

任何线性稳压器都只能与用作系统内比较基础的电压基准一样好。

虽然理论上可以使用电池，但这对于大多数应用来说并不令人满意。相反，基于齐纳二极管的参考几乎被普遍使用。

集成电路稳压器和参考使用复杂的晶体管和电阻片上组合来获得温度补偿和精确的电压参考源。

电压基准必须由未稳压电源驱动。由于存在启动问题，因此不能从稳压输出中获取。启动时没有输出，因此参考输出将为零，并且会一直保持到参考启动。

有趣的是，可以看到基本齐纳二极管类型的基本电压基准是并联稳压器，而不是串联稳压器。然而，此电压参考随后用于驱动串联稳压器电路。

参考源的输出通常通过分压器馈送。这不仅降低了通常非常有用的输出电压，而且还允许在输出端添加一个电容器，以帮助消除可能存在的任何纹波或噪声。降低的电压也很有用，因为最小电压输出由参考电压决定。

集成电路线性稳压器

有很多优秀的集成电路可以很容易地设计串联稳压器。它们中的许多已经存在了好几年，因此它们随处可见而且非常便宜。

著名的 78xx 系列、LM317、LM340 系列等集成电路提供了一种非常简单的方法来创建简单但非常好的线性稳压器。

这些特殊电路是三端稳压器，一个用于输入，一个用于输出，一个公共端接地或连接到电阻网络以提供电压反馈。

• 74xx 系列和 LM340 系列稳压器电路

78xx 系列稳压器非常有名，已经面市多年。它们有多种电压可供选择，“xx”被替换为所需的电压。

这些稳压器是简单的三端器件，但除了电压调节之外，它们还具有大量集成功能：内部限流、热关断和安全区域补偿，使它们几乎坚不可摧。

该稳压器电路非常简单，使用的电子元件很少。

这是用于任何 7800 系列稳压器的基本电路。它非常成功，除了显示的基本操作之外不需要额外的组件。

LM340 系列实际上与 78xx 系列相同，只是它们的规格稍高，输出电压的公差更小。

• LM317 稳压电路

LM317 稳压器 IC 是一款可调节的 3 端正稳压器，可用于电路设计，可在 1.2 V 至 37 V 的输出电压范围内提供超过 1.5 A 的电流。

这假定输入电压使得输入和输出之间可以获得足够的电压降，以便在所需的输出电压下提供足够的调节。

LM317 提供了基本的电子元件来创建一个非常简单但有效的可变电压调节器电路设计。设计非常简单，需要两个外部电阻器来设置输出电压。

除此之外，该 IC 还集成了内部限流、热关断和安全区域补偿功能，使其非常可靠且几乎难以损坏。

鉴于可以使用两个外部电阻来设置输出电压的方式，可以将稳压电路设计成具有可编程输出稳压器或在调节和输出之间连接一个固定电阻，LM317可以用作精密电流调节器。

低压差串联稳压器

任何稳压器的考虑因素之一是必须放置在串联调整元件上的电压。对于线性稳压器，通常需要在串联传输元件上有一个显着的压降，以实现最佳调节和噪声抑制。例如，输出为 12 伏的线性稳压器可能设计为具有 18 伏或更高的输入电压。

对于任何线性稳压器，在稳压器“退出”之前，串联元件上都需要一个最小电压。在许多线性稳压器集成电路中都可以看到这种压降。

在某些电路中，具有低压差稳压器很重要。如果可用的输入电压不是特别高，则使用低压差线性稳压器可能很重要。它需要很好地调节，尽管它两端的电压有限。

稳压器电路设计的提示和技巧

可以遵循一些有用的提示和技巧，以帮助确保线性稳压器的设计符合预期。

器件耗散： 串联稳压器可以散发大量热量。因此，有必要确保串联稳压器装置能够处理功率，除此之外，它还具有足够的散热能力，无论这可以如何布置。

还必须确保整个电源的温升不会因散热而升高，因为这可能会影响可靠性。如果电解电容器在炎热的环境中运行，它们的性能尤其会下降得更快。

串联稳压器压降是否足够： 为了实现良好的调节，稳压器晶体管、FET 或 IC 上必须有足够的压降。电压调节器 IC 的数据表中将引用最小压降。

输入是否充分去耦： 在某些情况下，稳压器 IC 的导线长度可能较长，建议在输入到地之间使用一个小的去耦电容器。如果不这样做，IC 会振荡。

输出端是否有足够的电容： 为了改善稳压器的瞬态响应，可以在输出端放置一个电容器。这通常可能是 0.1µF 到 1µF 的数量级，具体取决于电路。如果稳压器 IC 用作稳压器电路的基础，则数据表中会建议最佳值。

走线和导线是否足够电流： 在印刷电路板中使用小走线非常方便，以确保所有电子元件和链接电路都可以包含在电路板上。但是，在可能会遇到较高电流水平的情况下，必须确保任何轨道都可以承载电流，而不会耗散过多的热量或降低电压。

如果使用普通布线，情况也是如此 - 细线会以与印刷电路板上的 think tracks 相同的方式降低电压。

输入电路和平滑电路能否提供足够的电流： 在线性稳压器电路本身之前，平滑电路提供了整个电源的基本要素。这必须能够提供所需的电流，而电压不会下降得太低。随着更多电流的消耗，纹波也会增加。

必须始终确保最小电压始终足以运行稳压器 - 有时纹波中的波谷可能会低于稳压器令人满意运行的最小值。在设计稳压电路时必须考虑这些因素。

是否包含电流限制： 电流限制是现代稳压器电路的基本要素，如果可能，应该包含一个。大多数稳压器 IC 都包含电流限制，但使用分立元件的电路需要在设计中加入此功能。

具有限流能力将防止电源本身损坏，如果发生短路或其他过载情况，也可以防止被驱动的负载损坏。

是否包含过压保护： 在某些情况下，稳压器可能会发生故障，并且稳压器的全输入电压可能会施加在负载上。这可能会损坏被驱动的电路。具有过电压保护可以避免对被供电的电子电路造成重大损坏。

这些只是设计或构建电源线性稳压器电路时需要考虑的一些设计预防措施。它们通常很容易克服，它们可以作为设计清单，甚至可以添加到其中。

虽然此处显示的电路是简单的晶体管电路，但在更大的电路和集成电路中也使用相同的原理。相同系列的传递稳压器概念以及参考二极管电路、采样和其他区域都使用相同的元件。

此处使用的概念实际上用于线性稳压电源，它可以提供非常好的性能水平。线性稳压电源比开关模式电源更大更重，但它们以低噪声和良好的输出调节而著称，没有某些开关模式电源所具有的尖峰。

审核编辑黄宇