線性穩(wěn)壓器:原理、類型與工程應用(二)
關鍵參數(shù):壓差與功耗特性
線性穩(wěn)壓器的核心參數(shù) “壓差”(Dropout Voltage,Vdo)定義為維持穩(wěn)定輸出所需的最小輸入輸出電壓差(Vdo=Vin (min)-Vout)。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器(如 7805)的壓差較大(通常 2~3V),即當輸出 5V 時,輸入電壓需至少 7V 才能正常工作;而低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的壓差可低至 10~500mV(如 TC1185 的 Vdo=30mV@100mA),大幅拓寬了應用場景。
功耗是線性穩(wěn)壓器的固有特性,其功耗 P=Vdrop×Io+Pstatic(靜態(tài)功耗),其中 Vdrop=Vin-Vout,Io 為負載電流。由于功率調(diào)整管工作在線性區(qū)(類似可變電阻),輸入功率與輸出功率的差值全部轉(zhuǎn)化為熱量,因此效率 η=Vout/Vin×100%,當 Vin 與 Vout 差距較大時效率顯著降低(如 5V 輸入、3.3V 輸出時效率僅 66%)。這一特性決定了線性穩(wěn)壓器適合低功耗、小電流場景(通常 Io<1A),而高功率應用需采用開關穩(wěn)壓器。
類型劃分:從傳統(tǒng)到低壓差的演進
線性穩(wěn)壓器按結(jié)構和性能可分為齊納二極管穩(wěn)壓器、串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO) 三大類,技術路線的差異使其適用于不同的電壓調(diào)節(jié)需求。
齊納二極管穩(wěn)壓器:簡易低成本方案
齊納二極管穩(wěn)壓器是最基礎的線性穩(wěn)壓電路,利用齊納二極管在反向擊穿狀態(tài)下的 “穩(wěn)壓特性”(電壓基本不變而電流可在一定范圍內(nèi)變化)實現(xiàn)穩(wěn)壓。典型電路由齊納二極管(如 1N4733,穩(wěn)壓值 5.1V)與限流電阻串聯(lián)組成:當輸入電壓波動時,齊納二極管的電流隨之變化(如 Vin 升高時 Iz 增大),使限流電阻的壓降變化,從而維持輸出電壓穩(wěn)定。
其優(yōu)點是結(jié)構簡單(僅需 2 個元件)、成本極低(單價 < 0.1 美元),但存在明顯局限:輸出電壓固定(由二極管型號決定)、負載調(diào)整率差(負載電流變化 10mA 時輸出電壓偏差可達 5%)、輸出電流?。ㄍǔ?< 100mA),僅適合對精度要求不高的簡單電路(如玩具、小型傳感器)。
串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓器:經(jīng)典集成方案
串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓器將功率調(diào)整管、誤差放大器等模塊集成在單一芯片中,是 20 世紀 80 年代至 21 世紀初的主流方案,以 LM78xx、LM79xx 系列為代表。其中 78 系列輸出正電壓(如 7805 輸出 5V、7812 輸出 12V),79 系列輸出負電壓(如 7905 輸出 - 5V),采用 TO-220 封裝,最大輸出電流 1~1.5A。
其電路特點是采用 NPN 型功率管作為調(diào)整管,因此壓差較大(典型值 2V@1A),且輸出電壓固定(通過型號區(qū)分)。優(yōu)勢在于輸出電流大、過流保護完善(內(nèi)置限流和熱關斷電路),適合中等功率場景(如單片機系統(tǒng)、小型電機驅(qū)動)。但固定輸出電壓和高壓差特性使其逐漸被 LDO 取代,僅在 legacy 系統(tǒng)中仍有應用。