線性電源的原理和特點介紹

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

1)線性電源的原理

一個簡單的線性電源的原理圖如下所示：

主要分為三個部分：

a)基準電壓源，為電路提供一個不隨外界變化的參考電壓;圖中是最左邊的穩壓管和電阻實現的，可以實現當輸入電壓發生變化時，供給后端的參考電壓大致保持不變;

b)比較放大電路，用于實現將基準源和輸出電壓(或輸出電壓的分壓)比較，將誤差放大之后去控制調整管;圖中是運算放大器實現的;

c)調整管，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。

整個電路的工作過程如下：

當輸入電壓升高時，會使得輸出電壓Vo有升高的趨勢;Vo升高會使得Vn升高;而由于Vref基準電壓源基本不變化，Vn升高會使得運放的輸出降低;調整管Q1工作為射級跟隨器的狀態，其基極電壓降低時，即會使得射級電壓Vo也降低，抑制了Vo升高的趨勢。

當輸入電壓降低時，分析結果也是一樣的，電路會抑制Vo降低的趨勢。

所以，該電路能夠保持輸出電壓Vo的穩定。

由于運放的輸入虛短特性，可以認為Vn=Vref，所以其輸出Vo=Vn*(R3+R4)/R4=Vref*(R3+R4)/R4。圖中電路的參數計算如下：

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

如果想要調整輸出電壓Vo，最簡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電壓源、放大器、取樣等電路消耗的功率比較小，工程實現時經常忽略不計，即可以認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為就是調整管上的功耗。

整個電路的功耗為調整管功耗+負載RL上的功耗，又由于調整管上的電流和負載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)中仿真圖的參數計算，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，線性電源的調整管工作在放大區，調整管分掉了部分電壓，使得輸出Vo得到穩定，所以，線性電源的輸出總是會比輸入電源低一些(如果是調整管三極管則是CE級的壓降，如果是MOS管則是DS間的壓降)，一般至少會低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術語簡稱為LDO(low dropout regulator)。只能用于降壓電路。

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

另外線性電源由于結構簡單，整個反饋環路只有分壓電阻、運放、調整管，響應速度非常快，對于紋波的抑制和瞬態響應都有很好的效果;也是因為它的原理簡單，電路的穩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;1117一般用于電壓較低的場合，有5V、3.3V、2.5V等多種電壓輸出。

使用線性電源時，需要注意以下幾點：

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，這個數值需要查閱芯片手冊獲取，這類常用的芯片很多芯片廠家都有生產，各家的參數會有細微不同;

d)線性電源自身的功耗不能太大，可以用 (Vi-Vo)*I 這個公式來估算自身的功耗，如果比較大，會發熱嚴重，可能會熱保護或者燒壞芯片，則需要增加散熱片。

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