在電子電路設(shè)計(jì)中，線性穩(wěn)壓器 IC 是構(gòu)建穩(wěn)定電源電路的關(guān)鍵元件。本文將詳細(xì)介紹線性穩(wěn)壓器 IC 設(shè)計(jì)中的基本特性與注意事項(xiàng)，除了探討輸入輸出電壓差、瞬態(tài)響應(yīng)與紋波抑制比之間的關(guān)聯(lián)性，還會(huì)深入闡述輸出和輸入電容器的選型與布局要點(diǎn)。另外，通過講解浮動(dòng)工作狀態(tài)下如何抑制紋波電壓升高、以及過電流保護(hù)的工作特性等主題，為構(gòu)建穩(wěn)定的電源電路提供實(shí)用建議。

線性穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差與瞬態(tài)響應(yīng)及紋波抑制比的關(guān)系

本主題涉及到的規(guī)格值和特性曲線雖然是以 BA1117 為例進(jìn)行解說的，但原則上適用于所有線性穩(wěn)壓器 IC。線性穩(wěn)壓器 IC 若無法確保規(guī)定的壓降電壓（輸入輸出之間的電壓差），就無法正常工作。輸入電壓的值，需從技術(shù)規(guī)格書的 “壓降電壓 vs 輸出電流” 曲線圖中讀取所用負(fù)載電流下的壓降電壓，再與輸出電壓相加得出。示例中使用的 BA1117，當(dāng)其輸出電流為 0.5A 時(shí)，可讀取到壓降電壓約為 1.1V（典型值，Ta = 25℃），因此，若輸出為 5V，則輸入電壓應(yīng)為 6.1V。

在這樣微小的輸入壓差條件下，雖然直流工作狀態(tài)得以維持，但其他控制能力將無法充分發(fā)揮出來。例如，當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，若輸入輸出電壓差較小，將無法在短時(shí)間內(nèi)從輸入端向輸出端提供大電流，這意味著負(fù)載響應(yīng)速度會(huì)變慢。另外，響應(yīng)速度慢也會(huì)表現(xiàn)為紋波抑制比（PSRR）特性變差。這一點(diǎn)通過這些規(guī)格值的規(guī)定條件、輸入輸出電壓值及相關(guān)圖表可以看出來。下面舉一個(gè)例子。通過示例可以看出，在 5V 輸出時(shí)，加上 1.2V 壓降電壓后的 6.2V 輸入時(shí)的特性與加上 2V 以上壓降電壓后的 7V 以上輸入時(shí)的特性存在明顯差異。

在注重效率的情況下，應(yīng)盡量減小輸入輸出電壓差，但可能導(dǎo)致無法發(fā)揮出預(yù)期特性。在本示例中，我們將基于獲得預(yù)期負(fù)載響應(yīng)性能和 PSRR 所需的能力來探討輸入電壓，并尋求效率與各項(xiàng)特性之間的平衡點(diǎn)。

線性穩(wěn)壓器輸出電容相關(guān)的注意事項(xiàng)

輸出電容器對(duì)于維持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性而言至關(guān)重要。下面以 BA1117 為例列出了輸出電容器相關(guān)的注意事項(xiàng)。大多數(shù)注意事項(xiàng)并非僅限于 BA1117，而是適用于所有線性穩(wěn)壓器。

• 在實(shí)裝電路板上的配置：輸出電容器 COUT 用來使反饋環(huán)路更穩(wěn)定，應(yīng)盡可能靠近 IC 的 VOUT 引腳進(jìn)行連接，并同樣連接至鄰近的接地線。這一點(diǎn)也適用于 BA1117 以外的其他型號(hào)產(chǎn)品。
• 電容量：BA1117 的輸出電容器的電容量需在 22μF 以上。電容量過小可能會(huì)導(dǎo)致振蕩。電容量較大時(shí)，反饋環(huán)路的穩(wěn)定性和輸出瞬態(tài)響應(yīng)特性會(huì)得到提升。不同線性穩(wěn)壓器 IC 的電容量可能有所不同，具體請(qǐng)參照所用 IC 的技術(shù)規(guī)格書。電容量值并無限制，但需注意以下事項(xiàng)：增大電容量會(huì)使電源開啟時(shí)輸出電容的充電時(shí)間（達(dá)到設(shè)定電壓所需的時(shí)間）以及關(guān)閉時(shí)的放電時(shí)間（降至約等于接地電位所需的時(shí)間）延長(zhǎng)。需要確認(rèn)這些時(shí)間是否滿足供電設(shè)備及電路的電源相關(guān)參數(shù)要求。另外，當(dāng)關(guān)閉輸入電源時(shí)，若出現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓反相（輸出電壓高于輸入電壓）的情況，可能導(dǎo)致大電流反向流入 IC 內(nèi)部，進(jìn)而造成器件損壞。在這種情況下，可通過增設(shè)防逆流旁路二極管進(jìn)行規(guī)避（見上圖）。所選用的二極管必須在比 IC 輸出晶體管因輸入輸出電壓反相而導(dǎo)通的電壓更低的電壓下導(dǎo)通，以旁路反向電流，因此需要選用具備有效正向電壓 VF 的二極管。部分 IC 具備這種保護(hù)功能，具體需要確認(rèn)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)格書。
• ESR（等效串聯(lián)電阻）：BA1117 輸出電容的 ESR 需控制在 5Ω 以下。ESR 值過大會(huì)導(dǎo)致反饋環(huán)路不穩(wěn)定，從而引發(fā)振蕩問題。另外，該 ESR 值是基于 IC 單體及電阻負(fù)載的評(píng)估結(jié)果而獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，由于會(huì)受到電路板走線阻抗、輸入端電源阻抗及負(fù)載阻抗的影響而發(fā)生變化，因此務(wù)必在實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下充分確認(rèn)是否有振蕩現(xiàn)象。通常，不僅輸出電容的 ESR 過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定并引發(fā)振蕩，ESR 過小時(shí)也同樣會(huì)引發(fā)此類問題。ESR 的上限和下限因 IC 而異，具體需要確認(rèn)各產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書。
• 鋁電解電容器：輸出電容器可采用鋁電解電容器。鋁電解電容器雖然價(jià)格低廉且能獲得較大容量，但需注意部分產(chǎn)品在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)容量急劇減少及 ESR 上升的現(xiàn)象。
• 陶瓷電容器：使用陶瓷電容器作為輸出電容時(shí)，推薦選用溫度特性優(yōu)異的 X5R 和 X7R。Z5U、Y5V、F 的容量變化較大，請(qǐng)勿使用。請(qǐng)注意，由于容差、溫度特性和 DC 偏壓特性會(huì)導(dǎo)致電容值下降，所以需要確保在使用條件下所選電容器的容值不低于技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的值。另外，DC 偏壓特性還取決于外殼尺寸，隨著尺寸的減小，電容量下降幅度呈增大趨勢(shì)。
• 輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：當(dāng)輸出負(fù)載電流急劇波動(dòng)時(shí)，輸出電壓可能出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng)現(xiàn)象。若欲減小該電壓波動(dòng)，請(qǐng)?jiān)龃筝敵鲭娙莸碾娙萘?。然而，若增加輸出電容的容量，從輸入端向輸出電容器充電的電荷量將?huì)增加，因此當(dāng)輸入端電源的負(fù)載響應(yīng)特性較差時(shí)，輸入電壓同樣可能出現(xiàn)瞬時(shí)跌落現(xiàn)象。要想防止這種現(xiàn)象，需將輸入電容器的電容量提升至與輸出電容器的電容量相當(dāng)?shù)某潭取?/li>

線性穩(wěn)壓器輸入電容相關(guān)的的注意事項(xiàng)

輸入電容器在電路工作時(shí)用來抑制輸入電源的電位波動(dòng)，以使線性穩(wěn)壓器 IC 的輸入保持穩(wěn)定。尤其在輸入布線（電路板薄膜布線）較長(zhǎng)或輸入電源阻抗較高時(shí)，可有效確保 LDO 輸入電源的穩(wěn)定性。

下面以 BA1117 為例，介紹輸入電容相關(guān)的注意事項(xiàng)。與輸出電容器一樣，大多數(shù)注意事項(xiàng)并非僅限于 BA1117，而是適用于所有的線性穩(wěn)壓器。

• 在實(shí)裝電路板上的配置：輸入電容器 CIN 應(yīng)盡可能靠近 VIN 引腳進(jìn)行連接，并同樣連接至鄰近的接地線。請(qǐng)將輸入電容器配置在距離 IC 1cm 以內(nèi)的范圍內(nèi)。如前所述，此舉旨在降低輸入電源阻抗，并盡可能消除電路板寄生分量的影響。
• 電容量：以本示例中的 BA1117 為例，其采用的是 10uF 的輸入電容。當(dāng)輸出電流發(fā)生急劇變化時(shí)，可通過增大輸出電容的電容量來抑制電壓瞬時(shí)波動(dòng)。但若輸入電源端的瞬時(shí)電流供給能力不足，則可能導(dǎo)致輸入電壓下降。要想防止這種現(xiàn)象，需將輸入電容器的電容量提升至與輸出電容器的電容量相當(dāng)?shù)某潭?。關(guān)于大容量（Bulk）電容器，鋁電解電容器需與陶瓷電容器并聯(lián)連接。
• ESR（等效串聯(lián)電阻）：輸入電容器的主要目的是降低輸入電源阻抗，因此要求其 ESR（等效串聯(lián)電阻）越小越好。如果流向 IC 的輸入電流無突變情況，也可選用其他類型的電容器。

防止浮動(dòng)工作線性穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓增加

本節(jié)是有關(guān)配備 ADJ 引腳的浮動(dòng)工作線性穩(wěn)壓器的內(nèi)容。隨著輸出電壓升高，輸入紋波會(huì)被放大，從而導(dǎo)致 IC 的紋波抑制比惡化。作為對(duì)策，可在 ADJ 引腳與接地之間添加電容器 CADJ，以抑制紋波被放大并防止紋波抑制比惡化。

為防止紋波抑制比惡化，如下面的公式所示，在所有紋波頻率下，CADJ 的阻抗應(yīng)低于 R1。

線性穩(wěn)壓器的負(fù)載與啟動(dòng)相關(guān)的注意事項(xiàng)

BA1117 的過電流保護(hù)（OCP）采用的是折返（下垂）式特性設(shè)計(jì)，可支持絕大多數(shù)負(fù)載的啟動(dòng)。但需要注意的是，在啟動(dòng)時(shí)有大電流（浪涌電流）流過的電路中，可能無法正常啟動(dòng)。這是由于負(fù)載電流超過 IC 的輸出（供電）電流時(shí)，輸出電壓無法上升，導(dǎo)致 IC 無法啟動(dòng)。需注意的負(fù)載包括電機(jī)、大容量電容器、恒流負(fù)載等。

下圖是 BA1117 的輸出電流 IO 與輸出電壓 VOUT（設(shè)定為 1.5V 時(shí)的示例）之間的關(guān)系曲線圖。BA1117 的輸出電流規(guī)格為 1.0A、標(biāo)準(zhǔn) 1.7A。該曲線呈現(xiàn)出折返（下垂）式過電流保護(hù)特性，即在保持輸出電流基本恒定的同時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。對(duì)于這種折返（下垂）式的情況而言，即便電流限制功能生效，仍能持續(xù)輸出接近限流值的電流。因此，通常即使在前述的負(fù)載條件下，也能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

部分線性穩(wěn)壓器采用的是折返式（Foldback）特性的過電流保護(hù)機(jī)制。折返式（Foldback）特性會(huì)同時(shí)降低輸出電壓和輸出電流，因此在啟動(dòng)時(shí)若產(chǎn)生浪涌電流導(dǎo)致保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)，就會(huì)使輸出電壓固定在無法提升的狀態(tài)。尤其是像前述的負(fù)載情況，需要確認(rèn)啟動(dòng)時(shí)是否存在問題。

過電流保護(hù)的類型包括折返（下垂）特性、“フ” 字形特性、“ヘ” 字形特性以及這些特性的組合特性。由于每種特性各具特色，因此需要在充分理解其特性的基礎(chǔ)上，來選用配備過電流保護(hù)功能且符合電路規(guī)格要求的線性穩(wěn)壓器 IC。