線性電源的原理和特點(diǎn)介紹

直流電源大致可分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源，二者的從原理上區(qū)分，主要在于其電路中的主功率輸出管(三極管或mos)工作的狀態(tài)不同，線性電源工作在線性區(qū)(也即放大區(qū))，而開(kāi)關(guān)電源工作在開(kāi)關(guān)區(qū)(也即飽和區(qū)和截止區(qū))。

1)線性電源的原理

一個(gè)簡(jiǎn)單的線性電源的原理圖如下所示：

主要分為三個(gè)部分：

a)基準(zhǔn)電壓源，為電路提供一個(gè)不隨外界變化的參考電壓;圖中是最左邊的穩(wěn)壓管和電阻實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，供給后端的參考電壓大致保持不變;

b)比較放大電路，用于實(shí)現(xiàn)將基準(zhǔn)源和輸出電壓(或輸出電壓的分壓)比較，將誤差放大之后去控制調(diào)整管;圖中是運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的;

c)調(diào)整管，也就是主輸出的功率管，用于控制輸出電壓;圖中Q1是調(diào)整管;

d)輸出取樣電路，從輸出端電壓取樣后，送給放大電路比較;圖中是R2和R4將輸出分壓后得到的。

整個(gè)電路的工作過(guò)程如下：

當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，會(huì)使得輸出電壓Vo有升高的趨勢(shì);Vo升高會(huì)使得Vn升高;而由于Vref基準(zhǔn)電壓源基本不變化，Vn升高會(huì)使得運(yùn)放的輸出降低;調(diào)整管Q1工作為射級(jí)跟隨器的狀態(tài)，其基極電壓降低時(shí)，即會(huì)使得射級(jí)電壓Vo也降低，抑制了Vo升高的趨勢(shì)。

當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，分析結(jié)果也是一樣的，電路會(huì)抑制Vo降低的趨勢(shì)。

所以，該電路能夠保持輸出電壓Vo的穩(wěn)定。

由于運(yùn)放的輸入虛短特性，可以認(rèn)為Vn=Vref，所以其輸出Vo=Vn*(R3+R4)/R4=Vref*(R3+R4)/R4。圖中電路的參數(shù)計(jì)算如下：

Vref=6.2V，則Vo=6.2V*(1k+1k)/1k=12.4V，與仿真結(jié)果是相符的。

如果想要調(diào)整輸出電壓Vo，最簡(jiǎn)單的方法是改變圖中R2和R4的比值。

2)線性電源的效率

一般情況下，相比于輸出電流I，線性電源自身的基準(zhǔn)電壓源、放大器、取樣等電路消耗的功率比較小，工程實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常忽略不計(jì)，即可以認(rèn)為線性電源的輸入電流和輸出電流大致相等，而線性電源自身的功耗可以認(rèn)為就是調(diào)整管上的功耗。

整個(gè)電路的功耗為調(diào)整管功耗+負(fù)載RL上的功耗，又由于調(diào)整管上的電流和負(fù)載RL上的電流近似相等，所以線性電源的效率近似為：

η = Po/Pi = Vo*I/(Vi*I) = Vo/Vi

即線性電源的效率近似為輸出電壓比上輸入電壓。

以1)中仿真圖的參數(shù)計(jì)算，則效率近似為η = 12.4/24 = 51.7%;輸出電流為 I = Vo/RL = 124mA;則線性電壓自身的功耗可以近似為124mA*(24V-12.4V)= 1.4384W。

3)線性電源的特性

由上述電路分析可以知道，線性電源的調(diào)整管工作在放大區(qū)，調(diào)整管分掉了部分電壓，使得輸出Vo得到穩(wěn)定，所以，線性電源的輸出總是會(huì)比輸入電源低一些(如果是調(diào)整管三極管則是CE級(jí)的壓降，如果是MOS管則是DS間的壓降)，一般至少會(huì)低1~2V，也有低壓差的線性電源可以做到只低0.3~0.5V，這種低壓差的線性電源專業(yè)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)DO(low dropout regulator)。只能用于降壓電路。

線性電源是由調(diào)整管分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的，也即是有(Vi-Vo)的電壓是加在調(diào)整管上的，如果輸入電壓Vi比輸出電壓Vo高出比較多，則會(huì)有大部分的壓降消耗在調(diào)整管上，使得線性電源的效率降低。有時(shí)候其自身功耗很大時(shí)，需要加散熱片。

另外線性電源由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)反饋環(huán)路只有分壓電阻、運(yùn)放、調(diào)整管，響應(yīng)速度非常快，對(duì)于紋波的抑制和瞬態(tài)響應(yīng)都有很好的效果;也是因?yàn)樗脑砗?jiǎn)單，電路的穩(wěn)定性和可靠性都比較高。

4)常用的線性電源舉例

常用的固定輸出的線性電源有：78xx系列，1117系列等。78xx系列有5V、9V、12V、15V等多種電壓輸出，如7805就是輸出固定5V的具體型號(hào);1117一般用于電壓較低的場(chǎng)合，有5V、3.3V、2.5V等多種電壓輸出。

使用線性電源時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

a)輸入電壓不能高于線性電源的最大輸入電壓;

b)輸出電流不能大于線性電源的最大輸出電流;

c)輸入輸出的壓差不能太小，確保輸入電壓高于輸出一定的電壓，如78xx系列要求至少高出2V，1117系列的要求高出1V，某些低壓差的線性電源(LDO)可以低至0.3~0.4V，這個(gè)數(shù)值需要查閱芯片手冊(cè)獲取，這類常用的芯片很多芯片廠家都有生產(chǎn)，各家的參數(shù)會(huì)有細(xì)微不同;

d)線性電源自身的功耗不能太大，可以用 (Vi-Vo)*I 這個(gè)公式來(lái)估算自身的功耗，如果比較大，會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，可能會(huì)熱保護(hù)或者燒壞芯片，則需要增加散熱片。

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