低壓差線性穩壓電源詳解

眾所周知，開關電源的效率很高，但是輸出電壓有紋波，噪聲很大，不能直接接入單片機控制電路中，而一般選擇的方案都是在開關電源的輸出端接一級LDO低壓差線性穩壓電源，可以保證輸出到單片機中的電壓很穩定，而且在進行AD采樣時減小誤差，如果直接把開關電源輸出接到單片機的供電端，由于開關電源的輸出電壓有紋波會導致AD采樣不準確，另一個最大的隱患就是會直接燒毀單片機，為什么會這樣呢？

假設開關電源短路或者故障，一般情況下都是輸入電壓等于輸出電壓，這么一個高的電壓直接接到單片機的電壓輸入端會瞬間損毀單片機，且給維修帶來很大的麻煩，如果把開關電源的輸出端接一個低壓差線性穩壓電源，可以起到保護單片機的作用，低壓差線性穩壓電源起到一個緩沖的做用。

下面介紹一下低壓差線性穩壓電源。

LDO是低壓差線性穩壓器，簡稱線性穩壓電源。低壓差線性穩壓器，工作原理是一個工作在線性區的晶體管或者MOSFET,由兩個電阻構成的分壓，經過放大器放大后，與VREF進行對比，實現對VOUT的調整。在電子電路設計過程中，大大小小的電路板基本上都會用到低壓差線性穩壓電源，因為低壓差線性穩壓電源具有輸出精度高，電路簡單，價格低等優勢。

如果想要使用分離器件搭建一個低壓差線性穩壓電源那需要怎么操作呢？

首先我們要知道低壓差線性穩壓電源的輸入輸出電壓需要有一個最低壓差至少需要輸入高于輸出電壓2V---3V.

假設我們現在要設計一個輸出+5V、100mA的電源，輸入電壓+12V，那看一下圖一這個電路圖，穩壓管D101是一個5V1的，實際浮動電壓是5V1---5V2，因為穩壓管的精度不高，我們就認為是輸出5V，而穩壓管需要正常工作的話需要流過穩壓管的電流2mA以上或者穩壓管上的電壓高于標稱電壓，那我們看一下輸出電壓確定下來了，那100mA的電流怎么確定呢？是不是由這個R101限流電阻決定電流的大小呢？

即：R101=（Vin-Vo）/Io=(12V-5V)/100mA=70Ω，如圖二示，那R101上的功率是多少呢？Pr=Io*Io*R101=0.1*0.1*70=0.7W，那這個0.7W的功率消耗就白白浪費掉了，這不是我們希望看到的，那這個電路怎么改進呢？我們知道什么器件有放大電流的能力啊，是不是三極管呢？

那我們來改進一下這個電路。

（▲圖一）

（▲圖二）

看一下圖三這個變化后的電路圖，在穩壓管的基礎上加了一個三極管放大電流，降低功耗,我們一起來分析一下這個電路的工作過程，假設三極管放大倍數β=100.

首先看一下穩壓管這個電路，穩壓管要想工作穩定需要流過至少2mA的電流，流過電流越大穩壓管電壓越穩定，而想要三極管上流過100mA的電流，則Ib需要保持1mA,那也就是說支路I上至少流過3mA的電流，為了電壓穩定我們取4mA.

（▲圖三）

計算R102=(vin-5v8)/4mA=(12V-5V8)/4mA=1.55K,我們取一個標稱的電阻值R102=1K5,重新計算一下電流I=(vin-5v8)/1K5=(12V-5V8)/1K5=4.1mA電流,穩壓管分的3mA，Ib分1mA電流，如圖四示，也是可以接受的。

（▲圖四）

那確定完電阻值后，來看一下這個三極管如何選擇？首先需要Ic能流過100mA的電流，那選擇三極管的Ic時需要留有余量,一般情況留1.2倍余量就可以，也就是說選擇的時候Ic電流至少是120mA，那三極管上的壓降是多少呢？

輸入12V,輸出5V三極管壓降7V，Pq=U*I=7V*120mA=840mW,那來看一下長電的NPN型三極管PZT2222A（這里只是舉例說明，并無宣傳之意）

（▲圖五）

看圖中紅框內容：Veb是指射極到基極的反向耐壓，使用三極管時一定要注意這個電壓值，否則一不小心就損壞三極管，并且是不可逆的，Ic=600mA，而我們需要的是120mA,那Ic電流沒有問題，Pc=1W,而我們需要840mW，也是滿足要求的并且留有余量，三極管封裝SOT-223，繪制PCB圖時注意引腳順序需要和原理圖一一對應。

電路參數確定后，如圖六示，來分析一下這個電路實際運行的過程：12V電源通過R111給穩壓管和是三極管基極供電，穩壓管流過2mA電流，穩壓管被反向擊穿，生成一個5V8的電壓在三級管的基極，而Ib=1mA那Ic=Ib*β=100mA,Ic給后面的電容充電，直到充到5V，那為什么后面的輸出電壓是5V而不是4V或6V呢？

來看一下三極管基極和射極的關系，是不是射極跟隨電路，那E極電位跟隨B極電位有一個0.7V的壓降，B極是穩壓管的電壓5V7，那E極就是5V.

（▲圖六）

如圖七所示后極負載有時候并不是穩定的，假設后極負載內阻突然間減小，需要消耗200mA電流，那三極管是不是無法提供，因為我們設計的Ic只有100mA,那只有后級電容來提供這個瞬間大電流的消耗了，那輸入電流小于輸出電流那電容上的電壓是會往下降的，B極電壓相對來說是穩定不變的，那E極電壓降低只能是Vbe增大，而Ib也會隨之增大Ib增大會讓Ic跟隨增大，假如此時E極電位高于5V，為5V2時由于B極電位不變，E極電位上升那Vbe減小，Ib也降低，Ic也會降低，E極電位隨之下降，假設E極降至4V9那又會引起Vbe增大，E點上升，經過幾次調節之后最終電容上會輸出一個波動的5V，在加一個104小電容進行一次濾波會使得輸出更平穩些。