线性电源设计方法
1 线性电源的基本原理
??根据传输装置的工作状态和从电源到负载输送功率的连续性，电源转换器可分为和开关电源型。线性电源的特点是：从电源到负载的连续输送功率；传输设备（调节从电源到负载的电流流量的装置）在线性区域工作。开关电源以脉冲串的形式从电源输送到负载，传输装置按周期连接和关闭。本章主要介绍了线性电源的设计，下一章将介绍开关电源的设计。 ??本章介绍的线性电源主要是指DC-DC变换器中的线性电源转换器。按照输出参数的不同，可以分为和两类。
1.1 线性稳压器
??线性稳压器的工作原理 
??图3.一是典型的线性稳压器电路结构，其中，取样输出电压。取样得到的电压值与参考电压比较，比较结果反馈到误差放大器，误差放大器的输出控制调整管（传输元件）的导通程度，从而达到调节传输器件至负载的电流的目的，使输出电压保持稳定。在线性稳压器芯片中，芯片包含通流器件、误差比较放大器和基准电压结构些芯片内置分压网络，有些需要设计师连接到芯片外部。 ??图3更清晰.线性稳压器的四个基本线性稳压器的四个基本部件： ??事实上，当反馈部分简化时， ，如图3.3.当输入电压、负载电流或输出阻抗发生变化时，Rpass为了保持输出电压的稳定性，还将相应地改变值。.也可以看出，流过器件的电流大小等于流通负载的电流(输出电流)。 ??线性稳压器可分为四种，如图3所示.4所示： ：如78系列稳压器，LM317等。输入和输出之间的最小压差（Drop out voltage，用VDO表示)大， V D O = 2 V B E V S A T V_{\mathrm{DO}}=2V_{\mathrm{BE}} V_{\mathrm{SAT}} VDO=2VBE VSAT ，一般在2V以上。 ：如LM1117。最小压差比NPN型小， V D O = V B E + V S A T V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}} VDO=VBE+VSAT ，但仍在1V以上。 。最小压差较小， V D O = V S A T V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{SAT}} VDO=VSAT ，但相对输出电容ESR有要求。 。最小压差很小， V D O = R O N × I L O A D V_{\mathrm{DO}}=R_{\mathrm{ON}} \times I_{\mathrm{LOAD}} VDO=RON×ILOAD，其中PMOS型对输出电容ESR有要求。 ，虽然它们的输入-输出压降较大，但是能支持较高的输入电压且拥有更好的瞬态响应。而MOSFET型能支持非常低的输入-输出压降，具有低静态电流、良好的噪声性能以及良好的PSRR（电源抑制比，该参数概念将在本节之后的部分提出）。 。现今的LDO标准是压差<0.5V。 下面对四种基本线性稳压器拓扑进行具体分析： 如图3.5所示，输出电压取样后，通过一个NPN三极管（Q3）来控制一个PNP型的前级晶体管（Q2），这个前级晶体管（Q2）再通过集电极电流来控制功率传输管Q1，Q1在如图3.5所示的拓扑中是单个NPN晶体管（如图3.4（b）中所示，称为“准LDO”型），也可以是达林顿管（如图3.4（a）中所示，称为NPN型）。由于这两种类型的线性稳压器拓扑非常接近，因此将它们放在一起介绍。 如图3.6所示，图中灰色线表示电流路径。“准LDO”型稳压器输入输出之间的最低压降 V D O = V B E + V S A T V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}} VDO=VBE+VSAT，而NPN型稳压器的最低压降 V D O = 2 V B E + V S A T V_{\mathrm{DO}}=2V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}} VDO=2VBE+VSAT ，其中 是功率晶体管集电极和发射极之间的饱和压降。 在图3.7中可以计算出“准LDO”型稳压器在一定的负载电流（ V L O A D V_{\mathrm{LOAD}} VLOAD ）下所需要的驱动电流。 可以看出，。 当传输器件由一个NPN型三极管换成两个NPN管组合成的达林顿管时，就构成了NPN型稳压器，如图3.8所示，它的工作原理与“准LDO”型稳压器相同，此时Q1的放大倍数为两个三极管的放大倍数之积。 输入电压至少要比输出电压高0.9V至1.5V；“准LDO型”稳压器工作时的接地电流比NPN-达林顿管型稳压器大，但小于PNP型LDO稳压器；电路输出端需要一个输出电容器，但一般不像PNP型LDO那样具有特殊的ESR要求。 一个典型的PNP型LDO的结构如图3.9所示。它的传输元件是一个功率型的PNP管（Q1），基极连接一个对地的NPN型晶体管（Q2）。分压网络对输出电压取样后，进入误差放大器与基准作比较，误差放大之后对Q2进行控制，由于Q2集电极电流也就是Q1基极电流，因此也就控制了Q1集电极电流，实现了输出电压的变化。由于功率晶体管Q1是PNP型的晶体管，输出为集电极，因此输出阻抗比较大，需要给输出增加输出电容器，并控制这个电容器的ESR 控制在一定范围之内，才能保证这种LDO的工作稳定。 由图3.10可以看出，PNP型LDO的最小压降 ，即功率晶体管集电极和发射极之间的饱和压降。 图3.11是描述的是PNP型LDO在一定的负载电流（ ）下所需要的驱动电流。PNP型LDO的静态电流，也就是它的功率晶体管（Q1）基极对地流出的电流，由集电极给负载提供的输出电流和基极、发射极电流的比值β决定，分析方法与NPN型稳压器中静态电流的分析方法相似，在上文中已进行过介绍，此处只给出结果 PNP型LDO的静态电流随负载电流的增加而成比例地增加，可以看出，它的静态电流远远大于NPN型和“准LDO型”稳压器。 要求输入电压至少比输出电压高100mV至700mV；具有高于NPN型线性稳压器的接地引脚电流；需要谨慎地选择输出电容器数值和ESR。 由图3.12可以看到，NMOS型LDO的压降由导通电阻 R O N R_{\mathrm{ON}} RON 和输出电流 I L O A D I_{\mathrm{LOAD}} ILOAD决定，等于二者之积。在实际应用中，一个标准的NMOS传输晶体管实际上将由几千个并联的单独晶体管组成。 不同于由电流控制的晶体管器件，NMOS属于电压控制器件，控制电压信号不需要消耗误差放大器中的电流，因此它的静态电流比较小，而且几乎不随负载的变化而变化。相对于晶体管组成的稳压器而言，NMOS型LDO的低静态电流是它最大的优势，但同时它可以提供的输出电流会相对小一些。 为了导通MOS管，栅极需要比源极高一个阈值电压，若需要的压降比较小，则需要另外增加升压电路电荷泵来上拉栅极电位；NMOS的导通电阻低于PMOS；输出阻抗比较小，可减轻负载极点的影响；可在采用小的外部电容器时保持稳定；静态电流较小且与负载无关； 在NMOS型LDO中，由于NMOS的源极和门级之间存在导通门限，因此简单构成的NMOS 型LDO的输入输出压差不可能很小，必须大于这个导通门限，否则就需要设计升压电路电荷泵来提高栅极电压，使得电路变得比较复杂。引入PMOS构成的LDO可以克服该缺点。如图3.13所示，PMOS的输入端为源极，而门级电压需要低于源极且压差高于导通门限才能使其导通，因此PMOS型LDO的驱动比NMOS型LDO简单。它的压降同样等于导通电阻与输出电流之积，可降至100mV左右。 由图3.13可以看出，PMOS型LDO的结构和原理与NMOS型非常类似，由于传输管PMOS管也是电压控制器件，因此随着负载电流的变化，电路的静态电流几乎也是不变的。 静态电流较小且与负载无关；输出阻抗较大且受负载电阻影响，需要谨慎选择输出电容的电容值和ESR值；要求输出电压高于传输元件的VGS；
线性稳压器的性能参数
：线性稳压器在指定工作范围内，输出能够稳定在期望值时，系统能够接受的最小输入输出电压差值。线性稳压器的数据手册中会对最小压降进行说明，但一般只规定最大输出电流条件下的压降，其他工作条件的压降可以通过计算求出。 ：稳压器能够保持输出电压不变时的最大电流。 ：输入输出电流之差，由稳压器所IO,max消耗且不流向输出负载的电流。该部分电流流入GND，因此有时也被称为接地电流或对地电流，用IGND表示。IQ是线性稳压器自身的工作电流，主要由提供给误差放大器、基准电压源、采样电阻等的偏置电流与调整管的驱动电流组成，反映了线性稳压器自身的功率消耗。如图3.14所示。 与提供给负载的电流相比，对地电流只是很小的一部分（但PNP型LDO的对地电流会比较高，可以达到负载电流的7%）。因此在高负载电流时，线性稳压器内部功率管上的功耗是影响效率的主要原因。而在空载或者低负载电流时，对地电流成为影响效率的主要原因。影响对地电流的主要是温度、负载电流和输入电压。内部晶体管的温漂特性会导致对地电流随温度变化；在双极型晶体管组成的线性稳压器中，由于双极型晶体管属于电流驱动器件，因此静态电流随负载电流成比例地增加；输入电压同时为内部放大器、基准源供电，电压升高则相应功耗增加，因此对地电流也会随输入电压变化。 对地电流这一规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时时钟等）以及低功耗电路很重要，它将影响电路的效率或影响电池的使用时间。 ：线性电源的效率计算方法如下： 效率等于输出功率比输入功率，当线性稳压器的自身耗电电流 可以忽略时，输入电流可以看作等于输出电流，效率近似等于 。 ：通流器件上消耗的功率。为了保证节点温度不至于过高，线性稳压器的功耗必须限制在一定范围内，因此有必要计算通流器件上的功率耗散。 （PSRR，Power Supply Rejection Ratio）：输出电压纹波与输入电压纹波之比，通常用对数形式表示，单位是dB，用来衡量线性稳压器抑制输入电源变动产生的影响的能力。该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放大器、音频、RF 和无线等）很重要。控制环路是影响纹波抑制比的重要因素，在满足设计要求的前提下，较大的输入电容、较低的ESR和增加旁路电容等能够改善纹波抑制比。 基带噪声：某个特定频率范围内的总噪声能量。该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如PLL、TCXO、RF 和无线等）很重要。 ：负载电流突变时引起的输出电压变化的最大值。瞬态响应与输出电容的电容值及其等效串联电阻、旁路电容值有关。为了获得更好的瞬态响应，线性稳压器需要更宽的带宽、更大的输出电容和更小的ESR。 此外，线性稳压器的参数还包括负载调整率、线性调整率等，已在第一章中进行过介绍。 线性稳压器使用内部晶体管或MOS管作为传输器件，可以看做是一个位于输入和输出之间的可变电阻，阻值随负载和输入电压发生变化，经过这个可变电阻的电流和负载的电流一致，所以可变电阻上消耗功率，并且线性稳压器内部的反馈和控制部分也消耗功率，所以当Vin和Vout电压差别大时线性稳压器效率很低。 线性稳压器只能提供降压功能，不能升压，是典型的降压型稳压器。 线性稳压器的设计简单、成本低，需要的外部元件少，输出噪声低，具有很好的线性调整率和负载调整率，对输入电压和负载变化响应迅速，EMI干扰小。 线性稳压器的典型应用是在输出电压跟输入接近的场合，或者是作为开关稳压器的第二级。
1.2 线性恒流源
恒流源是电路中广泛使用的一个组件，它向负载提供恒定电流且不随负载电阻的变化而变化。理想恒流源内阻为无穷大。恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。这里整理一下比较常见的恒流源的结构和特点。
1.简易恒流源
如图3.15所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的 作为基准，输出电流 。这种恒流源的优点是简单易行，输出电流可以自由控制。缺点是不同型号的管子，其 不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时，不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动，因此不适合精密的恒流需求。
2.运放恒流源
典型的运放恒流源如图3.16所示。为了能够精确输出电流，使用了运放进行反馈。如果需要进一步提高电流精确性，可以把三极管更换为场效应管来避免三极管的基极-射极电流导致的误差。运放恒流源中输出电流 I = V i n / R 1 I=V_{\mathrm{in}}/R_{\mathrm{1}} I=Vin/R1 。
3.稳压二极管恒流源
利用稳压二极管和一只三极管，可以搭建一个更简易的恒流源，如图3.17所示，该电路的输出电流 。
4.电压基准芯片
TL431是一个常用的电压基准芯片，利用TL431搭建的恒流源如图3.18所示，输出电流 I = 2.5 / R 1 I=2.5/R_{\mathrm{1}} I=2.5/R1 。 以上这些恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用，因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。
5.JFET电流源
6.镜像电流源
7.微电流源（又称维德拉电流源）
8.高输出阻抗电流源（威尔逊电流源）
9.加射极输出器的电流源
10.比例电流源
11.MOS管多路电流源
12.BJT多路电流源
1.3 电子负载
在电路中，连接在电源两端，。根据负载在电路中表现的特性，可将其分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载等。在测试电源设备的性能时，通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合作为负载，来模拟真实的负载情况，测试电源设备在不同条件下的稳定性和可靠性，从而发现电源设备的缺陷并加以改进和完善。 。它通过改变内部功率器件的导通量来控制工作状态，从而调节功率器件消耗电能的状态，易于实现负载的调节和控制，能达到很高的调节精度和稳定性。同时，电子负载不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。 直流电子负载的设计基于电流反馈控制原理。场效应管工作在线性区（可变电阻区）时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。采用运算放大器和反馈来控制MOSFET的栅极电压，从而达到控制其内阻变化的目的。下面从直流电子负载的不同工作模式入手，对电子负载的工作原理进行详细分析： 直流电子负载的工作模式主要有等几种。 ：电子负载所流入的负载电流保持设定值不变，与输入电压大小无关。恒流模式可以通过总电流信号的反馈，由控制器直接控制给定电压，来达到预设的电流值。如图3.29所示，误差放大器通过比较取样电阻R上的电压和给定参考电压 V R E F V_{\mathrm{REF}} VREF 来控制效应管的 R D S R_{\mathrm{DS}} RDS ：如果R上的电压小于 V R E F V_{\mathrm{REF}} VREF ，运放加大输出，增大MOS的导通程度，从而加大通过R的电流；如果R上的电压大于 V R E F V_{\mathrm{REF}} VREF ，运放减小输出，MOS导通程度减小，也就减小了通过R的电流。这样，就使整个回路工作和保持在设定的电流。可通过改变 V R E F V_{\mathrm{REF}} VREF 的大小来改变恒流电流设定值， V R E F V_{\mathrm{REF}} VREF 可用电位计手动调节输入或用DAC芯片由MCU控制输入，实现数控恒流电子负载。 ：电子负载电压维持设定值不变，流入的负载电流依据所设定的负载电压而定。如图3.30所示，恒压模式的工作原理与恒流模式非常相似，不同的是比较的不再是电流感应电阻上的电压，而是分压电路上的电压。通过采集电压信号作为反馈，与给定电压进行比较，以此来调整流过场效应管的电流大小，使得负载电压达到预设值。 ：负载电阻保持设定值不变，输入电压与负载电流成正比例，比值即是所设定的负载电阻。如图3.31所示，比较电流回路感应电阻R上的电压和电压回路分压电阻上的电压值，负载电流和电压同时受控，就能够保持特定的电压和电流的比率，保证了电路的恒阻特性。在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是通过采集电流和电压值，在控制器中运算得到电阻值大小，然后通过调整电流大小，使电阻值恒定，但这种方法响应较慢，专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。
：负载功率保持设定值不变，电子负载流入的负载电流依据所设定的负载功率大小而定。大部分电子负载都采用恒流电路来实现恒功率模式，采集电流和电压信号并计算乘积得到功率值，通过控制电流大小，保证乘积达到预设值，即工作在恒功率模式。
2 线性电源设计技巧
2.1 典型线性稳压器及其应用电路
2.1.1 78、79系列三端固定稳压器
78、79系列是目前常见的三端固定电压输出集成稳压器。该系列三端稳压器具有内部过热保护、输出端电流短路保护和输出晶体管保护功能，组成稳压电源时所需的外围元件很少，使用方便，价格低廉，因此应用范围很广泛。 尽管LM340和LM7805系列主要设计为固定电压调节器，但这些器件可与外部元件一起使用，以调节电压和电流。由于正负固定电压输出稳压器的参数及应用类似(仅极性相反)，因此本章以介绍正输出稳压器的应用为主。下面给出一些三端固定正稳压器的典型应用： 输入电压是从变压器输出的交流电压经过整流滤波得到的不稳定的直流电压，输出端得到稳定的直流电压。 的电容值一般为0.1～0.47μf，其作用是改善纹波和抑制输入瞬时过电压；输出端旁路电容 的电容量一般是0.1μf，其作用是获得最佳的稳定性和改善负载的瞬态响应。这些电容器必须尽可能靠近调节器放置。输入电容 有时可以省略，但如果设备距电源滤波器6英寸以上，则必须使用输入电容。 如果现有的三端固定稳压器输出小于所需要的电压值，可以用如图3.34所示的电路来实现。电路中外接了电阻 和 ，则稳压器的输出电压为: V o = V x x ( 1 + R 2 / R 1 ) + I Q ⋅ R 2 V_{\mathrm{o}}=V_{\mathrm{xx}}\left(1+R_{2} / R_{1}\right)+I_{\mathrm{Q}} \cdot R_{2} Vo=Vxx(1+R2/R1)+IQ⋅R2 抬高输出电压还可以采用图3.36的电路。用一只稳压二极管 将三端集成稳压器的公共端电位抬高到稳压管的击穿电压 ，此时，实际输出电压 等于稳压器原输出电压与 之和。将普通二极管正向运用来代替 ，同样可起到抬高输出电压的作用。若二极管使用发光二极管LED，还可以起到电源指示作用。二极管 起保护作用．当输出端短路时 导通，可避免电流由公共端倒灌入输出端而造成稳压器损坏。 &emsp用三端稳压器还可以做成恒流电源。在其输出端与地之间接入适当电阻 R，则流过该电阻的电流为 I R = V X X / R I_{\mathrm{R}}=V_{\mathrm{XX}}/R IR=VXX/R ，其中 V X X V_{\mathrm{XX}} VXX 是稳压器的标称输出电压。因 V X X V_{\mathrm{XX}} VXX 的偏差很小，所以流过R的电流（也就是流过负载 R L R_{\mathrm{L}}