3.2 线性电源的实现方式

我们把通过电阻分压来实现稳压的方式都称为线性电源。除了我们非常熟悉的三端稳压器，符合这种形式的线性电源电路有以下几种实现方式。

1．稳压二极管并联调整电压实现线性电源

这种稳压器典型地用在负载小于200mW的局部电压调节中，串联电阻置于输入电压和稳压二极管之间，用来限制流向负载和二极管的电流，稳压二极管补偿负载电流的变化。稳压电压值会随着温度漂移，漂移特性在很多稳压二极管参数手册中会给出。它的负载调整能力对于大多数集成电路电源来说已经够用，但它的损耗比串联型的线性电源更大，这是因为它设置在最大负载电流状态，而负载往往没有这么大。稳压二极管稳压电源电路如图3.4所示。

图3.4中，D是一个稳压二极管（又叫齐纳二极管），是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻值的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分挡的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

V z 是稳压管D的半导体特性，即稳定电压，指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如，2CW51型稳压管的V zmin 为3.0V，V zmax 则为3.6V。

如图3.5所示，需要给二极管施加一个反向的电压。电压需要比稳定电压大足够的值，例如V in（min） >V z + 3V。

电压输出值，即为稳定电压值，V out =V z 。

串联的电阻上承受的功率为

这个方案产生的电压值完全依赖稳压二极管的半导体特性，输出的电压完全依赖器件选型，非常不方便。另外，V z 的值是一个不稳定的数据，会随输入电压、负载电流、温度等参数的影响而变化。

如果稳压管的温度发生变化，它的稳定电压也会发生微小变化，温度变化1℃所引起的管子两端电压的相对变化量即是温度系数（单位：%/℃）。一般来说，稳压值低于6V属于齐纳击穿，温度系数是负的；稳压值高于6V属于雪崩击穿，温度系数是正的。温度升高时，耗尽层减小，耗尽层中原子的价电子上升到较高的能量，较小的电场强度就可以把价电子从原子中激发出来产生齐纳击穿，因此它的温度系数是负的。雪崩击穿发生在耗尽层较宽、电场强度较低时，温度增加使晶格原子振动幅度加大，阻碍了载流子的运动。这种情况下，只有增加反向电压，才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿的电压温度系数是正的。这就是稳压值为15V的稳压管的稳压值随温度增加而逐渐增大，而稳压值为5V的稳压管的稳压值随温度增加而逐渐减小的原因。例如，2CW58稳压管的温度系数是+0.07%/°C，即温度每升高1°C，其稳压值将升高0.07%。

2．单晶体管串联电路实现线性电源

由于稳压二极管并联调整电压的电路有诸多问题，仅在对电压精度要求不高、负载电路也不能太大、对电路面积和成本极其苛刻的场景才会使用，所以一般会在一些场景使用稍微复杂一点的低成本稳压电路——单晶体管串联电路。

单晶体管串联型线性电源如图3.6所示。将一个晶体管加到基本二极管的稳压电路，可以利用双极型晶体管具有增益的优势。晶体管接成射极跟随器，可以在稳压二极管的电流比较小的情况下，向负载提供很大的电流。此时，晶体管基本上是作为一个误差放大器。当负载电流增加时，基极的电压提高，晶体管的导通程度也增加，从而使电压恢复到原来的值。因此，可以通过选择晶体管的容量来满足负载和调整电压损耗的要求。

在电路中，三极管T的基极被稳压二极管D稳定在13V，那么其发射极就输出恒定的13V -0.7V=12.3V电压。在一定范围内，无论输入电压升高还是降低，无论负载电阻大小如何变化，输出电压都保持不变。这个电路在有些场合下有应用，比如三端稳压器也是采用这样的原理来实现的。但是这个电路一样是依赖稳压二极管D的稳定电压V z ，所以仍然有一定的离散性和不稳定性。

3．三端稳压器

第一种方式和第二种方式都采用开环控制，也就是说，都是没有反馈机制的，所以其能够产生的电压必然没有那么理想，也没有自我调整的机制和能力。

在电路设计中，经常选型的线性电源的形式是选择一个三端稳压器的芯片为核心设计一个线性电源的电路。三端稳压集成电路是一种只有三个管脚，并将线性电源的功能封装在一个集成电路中的电源设计方式。三端稳压器是指这种稳压用的集成电路可以实现线性电源，只有三个管脚。三端稳压器的三条引脚输出分别是输入端、接地端和输出端，通过三个管脚的芯片能够实现稳压器的功能。常见的三端稳压器有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

用78/79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，所以在电子制作中经常采用。三端稳压器7812的电路原理图如图3.7所示。三端固定正稳压器是一种能够输出正电压的集成稳压器，可以输出正压12V的稳定电压，它具有内部过热保护、输出端电流短路保护和输出半导体管保护等保护功能。三端稳压器的电路基本一致，都是一个输入、一个输出和一个GND。

三端稳压器的实物图如图3.8所示。

虽然三端集成稳压器的应用电路简单，外围元件很少，但若使用不当，同样会出现稳压器被击穿或稳压效果不良的现象，所以在使用中必须注意以下几个问题。

（1）要防止产生自激振荡。三端集成稳压器内部电路放大级数多，开环增益高，工作于闭环深度负反馈状态，若不采取适当补偿移相措施，则在分布电容、电感的作用下，电路可能产生高频寄生振荡，从而影响稳压器的正常工作。

（2）要防止稳压器损坏。虽然三端稳压器内部电路有过流、过热及调整管安全工作区等保护功能，但在使用中应注意以下几个问题以防稳压器损坏。①防止输入端对地短路；②防止输入端和输出端接反；③防止输入端滤波电路断路；④防止输出端与其他高电压电路连接；⑤稳压器接地端不得开路。

（3）当集成稳压器输出端加装防自激电容时，万一输入端发生短路，该电流的放电电流将使稳压器内的调整管损坏。为防止这种现象的发生，可在输出、输入端之间接一大电流二极管。

（4）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10µF电容器。

（5）为了提高稳压性能，应注意电路的连接布局。一般稳压电路不要离滤波电路太远，输入线、输出线和地线应分开布设，采用较粗的导线且要焊牢。

（6）三端集成稳压器是一个功率器件，它的最大功耗取决于内部调整管的最大结温。因此，要保证集成稳压器能够在额定输出电流下正常工作，就必须为集成稳压器采取适当的散热措施。稳压器的散热能力越强，它所承受的功率也就越大。

（7）选用三端集成稳压器时，先要考虑的是输出电压是否要求可以调整。若不需调整输出电压，则可选用输出固定电压的稳压器；若要调整输出电压，则应选用可调式稳压器。稳压器的类型选定后，就要进行参数的选择，其中最重要的参数就是需要输出的最大电流值，这样大致便可确定出集成电路的型号。然后再审查一下所选稳压器的其他参数能否满足使用的要求。

4．输出可调式线性稳压器

输出可调式线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或MOSFET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装，具有出色的性能，并且提供热过载保护、安全限流等增值特性，关断模式还能大幅降低功耗。

输出可调式线性稳压器与前面几种电路最大的区别，是输出电压可以配置。通过电阻分压得到输出电压的一个线性关系，与内部的参考电压进行比对，实现对“可变串联阻抗”进行控制。如图3.9所示，为一款2A的可调式线性稳压器的规格书典型电路，其输出电压V out 由R 1 、R 2 的比例关系进行配置。

如图3.10所示，输出可调式线性稳压器由内部参考电压、误差放大器、反馈电压分压器和功率管构成。导通元件通过误差放大器的控制，传递输出电流。误差放大器比较参考电压和输出反馈电压。

如果反馈电压低于参考电压，误差放大器使更多电流流过功率晶体管，以提高输出电压。相反地，如果反馈电压高于参考电压，误差放大器使流过功率晶体管的电流变小，这样输出电压就下降了。

随着晶体管及MOSFET的快速发展，可变串阻的类型也出现很多形式。

（1）NPN晶体管。标准NPN稳压器的优点是具有约等于PNP晶体管基极电流的稳定接地电流，即使没有输出电容也相当稳定。这种稳压器比较适合电压差较高的设备使用，但较高的电压差使得这种稳压器不适合许多嵌入式设备使用。NPN旁路晶体管稳压器是一种不错的选择，因为它的电压差小，而且非常容易使用。不过这种稳压器仍不适合具有很低电压差要求的电池供电设备使用，因为它的电压差不够低。它的高增益NPN可使接地电流稳定在几毫安，而且它的公共发射极结构具有很低的输出阻抗。

早期的一些线性稳压器电路是利用NPN晶体管构成达灵顿结构，如图3.11所示。

（2）PNP晶体管。PNP旁路晶体管是一种低电压差稳压器，其中的旁路元件就是PNP晶体管。它的输入输出电压差一般为0.3～0.7V。因为电压差低，所以这种PNP旁路晶体管稳压器非常适合电池供电的嵌入式设备使用。不过它的大接地电流会缩短电池的寿命。另外，PNP晶体管增益较低，会形成数毫安的不稳定接地电流。由于采用公共发射极结构，因此它的输出阻抗比较高，这意味着需要外接特定范围容量和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）的电容才能够稳定工作。

PNP器件作为导通晶体管的稳压电路如图3.12所示。

（3）N型MOSFET。N型MOSFET稳压器非常适合那些要求低电压差、低接地电流和高负载电流的设备使用，如图3.13所示。功率管采用的是N型MOSFET，因此这种稳压器的电压差和接地电流都很低。虽然它也需要外接电容才能稳定工作，但电容值不用很大，ESR也不重要。N型MOSFET稳压器需要充电泵来建立栅极偏置电压，因此电路相对复杂一些。相同负载电流下，N型MOSFET的尺寸最多可比P型MOSFET的尺寸小50%。

（4）P型MOSFET。由于P型MOSFET稳压器具有较低的电压差和接地电流，因此被广泛用于许多电池供电的设备，如图3.14所示。该类型稳压器将P型MOSFET用作它的旁路元件。这种稳压器的一个特性是电压差可以很低，因为很容易通过调整MOSFET尺寸将漏-源阻抗调整到较低值。另一个特性是低的接地电流，因为P型MOSFET的栅极电流很低。然而，由于P型MOSFET具有相对大的栅极电容，因此它需要外接具有特定范围容量与ESR的电容才能稳定工作。P型MOSFET线性稳压器提供极低的电压差和极小的静态电流。P型MOSFET导通元件不需要使用内部电荷泵。