在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，線性穩(wěn)壓器扮演著至關(guān)重要的角色。它能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定的電壓輸出，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。而線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)特性、關(guān)斷特性、浪涌電流以及各種保護(hù)功能等方面的性能表現(xiàn)，直接影響著整個(gè)電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。下面我們將詳細(xì)探討線性穩(wěn)壓器在不同工作狀態(tài)下的特性以及相關(guān)的重要參數(shù)計(jì)算。

一、線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)特性

線性穩(wěn)壓器在電源（VIN）開(kāi)啟時(shí)，其工作特性會(huì)受到 VIN 的瞬態(tài)變化以及輸出電容的靜電容量等因素的顯著影響。這些特性對(duì)于負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要，因此在對(duì)線性穩(wěn)壓器的工作性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，它們是必不可少的檢查項(xiàng)目。

當(dāng)輸出電容的靜電容量較小時(shí)（大致為數(shù)十 μF 以下），在 VIN 階躍導(dǎo)通的情況下，啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流通常不會(huì)達(dá)到觸發(fā)輸出過(guò)流保護(hù)電路的閾值。所以，過(guò)流保護(hù)功能不會(huì)啟動(dòng)，也不會(huì)受到電流限制。此時(shí)，輸出電壓不受輸出電容靜電容量的影響，而是由 IC 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的上升時(shí)間決定。

（圖 1：VIN 階躍導(dǎo)通且輸出電容較小時(shí)的啟動(dòng)波形）

然而，當(dāng)輸出電容靜電容量較大（大概為數(shù)百 μF 以上）時(shí)，同樣在 VIN 階躍導(dǎo)通條件下，由于啟動(dòng)時(shí)輸出電容充電產(chǎn)生的浪涌電流較大，會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)并導(dǎo)致電流被限制。因此，輸出電容的充電電流會(huì)受到限制，而且輸出電容靜電容量越大，啟動(dòng)（達(dá)到設(shè)定值）時(shí)間就越長(zhǎng)。

（圖 2：輸出電容靜電容量與輸出電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間的關(guān)系）

當(dāng) VIN 緩慢導(dǎo)通且輸出電容靜電容量較小時(shí)，以 BA1117 系列為例，當(dāng) VIN 超過(guò)約 1V 時(shí)，電路開(kāi)始工作，輸出電壓隨之開(kāi)始上升。需要注意的是，即使輸出電容較大時(shí)，電路啟動(dòng)的 VIN 電壓仍保持不變，此時(shí)輸出電壓的上升波形與 “VIN 階躍導(dǎo)通且輸出電容值較大時(shí)” 的情況類似。當(dāng) VIN 緩慢上升時(shí)，能夠清晰觀測(cè)到 VIN 達(dá)到啟動(dòng)起始電壓的完整時(shí)間過(guò)程；而當(dāng) VIN 階躍導(dǎo)通時(shí)，由于電壓會(huì)瞬間超過(guò)該閾值，電路看似呈現(xiàn)無(wú)延遲的立即啟動(dòng)狀態(tài)。

（圖 3：VIN 緩慢導(dǎo)通且輸出電容較小時(shí)的啟動(dòng)波形）

二、線性穩(wěn)壓器的關(guān)斷特性

當(dāng) VIN 階躍關(guān)斷時(shí)，由于輸出端輸出電容殘留的電荷作用，輸入 - 輸出電壓會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)（輸出電壓高于輸入電壓），此時(shí)輸出電容的電荷會(huì)通過(guò) IC 內(nèi)部寄生元件向輸入側(cè)泄放。因此，輸出電壓會(huì)隨著輸入電壓的下降而急劇降低，當(dāng) VIN 降至 0V 時(shí)，輸出電壓將維持在寄生元件導(dǎo)通電壓（約 0.7V），下降速度趨于平緩。此后，電壓會(huì)以負(fù)載電阻的時(shí)間常數(shù)持續(xù)下降。對(duì)于純阻性負(fù)載，輸出電壓的下降時(shí)間可通過(guò)特定公式表示。

（圖 4：VIN 階躍關(guān)斷時(shí)輸出電壓波形）

當(dāng) VIN 緩慢關(guān)斷時(shí)，當(dāng) VIN 電壓下降至輸入 - 輸出電壓發(fā)生反轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)時(shí)，輸出電容電荷會(huì)通過(guò) IC 內(nèi)部的寄生元件向輸入側(cè)泄放。因此，輸出電壓會(huì)隨著輸入電壓的下降而同步降低，當(dāng) VIN 降至 0V 時(shí)，輸出電壓會(huì)維持寄生元件的導(dǎo)通電壓（約 0.7V），下降速度進(jìn)一步放緩。此后，電壓將以負(fù)載電阻的時(shí)間常數(shù)持續(xù)下降。該過(guò)程與 VIN 階躍關(guān)斷時(shí)的情形類似，但由于關(guān)斷過(guò)程較為平緩，輸出電壓的下降趨勢(shì)也相對(duì)平緩。若要求 VIN 斷開(kāi)后輸出電壓迅速歸零，則需增設(shè)強(qiáng)制泄放輸出電容電荷的放電電路。

（圖 5：VIN 緩慢關(guān)斷時(shí)的波形）

三、線性穩(wěn)壓器的浪涌電流

通常在接入輸入電源且輸出開(kāi)始建立（啟動(dòng)）時(shí)，會(huì)因輸出電容充電產(chǎn)生浪涌電流。此時(shí)即使輸出電流值超出推薦工作范圍的值，由于內(nèi)置過(guò)流保護(hù)（OCP：Over Current Protection）電路將實(shí)施電流限制，故不影響正常工作。但需要確保該電流所影響的結(jié)溫 TJ 不超過(guò) 150℃。短時(shí)過(guò)流所影響的結(jié)溫 TJ 可通過(guò)瞬態(tài)熱阻 ZTH 估算。

瞬態(tài)熱阻是一種具有時(shí)間參數(shù)的熱阻。嚴(yán)格而言，TJ 在通電的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始上升（發(fā)熱），經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定。常規(guī)熱阻 θJA 是穩(wěn)態(tài)下的溫升（發(fā)熱量）與功耗的比值；而瞬態(tài)熱阻則是通電后特定時(shí)刻的溫升與該時(shí)刻功耗的比值。利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算 TJ 的公式是將含有 θJA 的計(jì)算公式中的 θJA 替換成 ZTH 得到的。

TJ = TA + ZTH×P [℃]
其中，TA 為環(huán)境溫度 [℃]，ZTH 為結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的瞬態(tài)熱阻 [℃/W]，P 為 IC 功耗 [W]。

P 為 IC 功耗，對(duì)于類似 BA1117 的無(wú)接地引腳的浮動(dòng)工作類型，可通過(guò)公式 P = (VIN – VOUT)×IOUT + (VIN×IADJ) [W] 計(jì)算。當(dāng) IADJ ? IOUT 時(shí)，可簡(jiǎn)化為 P = (VIN – VOUT)×IOUT [W]。

為了演示計(jì)算過(guò)程，現(xiàn)設(shè)定以下條件：在 TO252 - 3 封裝中，環(huán)境溫度 TA = 60℃，1.5A 的浪涌電流持續(xù) 1ms。由相關(guān)圖表可知，1ms 時(shí)的瞬態(tài)熱阻為 2.7℃/W。輸入電壓 VIN = 5V，輸出電壓 VOUT = 3.3V。將這些數(shù)值代入公式計(jì)算可得：

TJ = 60℃ + 2.7×(5V – 3.3V)×1.5A = 66.9℃

因?yàn)?TJ 低于 150℃，所以在該條件下不存在問(wèn)題。由此可知，當(dāng)浪涌電流持續(xù)時(shí)間僅 1ms 左右時(shí)，由于芯片溫度（TJ）上升幅度很小，浪涌電流引起的溫升通常不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。

（圖 6：瞬態(tài)熱阻相關(guān)圖表）

四、線性穩(wěn)壓器的過(guò)流保護(hù)（OCP）

過(guò)流保護(hù)電路（OCP：Over Current Protection）的作用是，當(dāng) IC 的輸出端對(duì)地短路時(shí)，防止因過(guò)電流導(dǎo)致 IC 損壞。需要明確的是，該保護(hù)功能是為防止 IC 損壞而設(shè)計(jì)的，并非用于保護(hù)負(fù)載（如受電設(shè)備等）、電路及裝置。若以保護(hù)電路或裝置為目的，則需以使用保險(xiǎn)絲或其他電流限制器件為前提。

BA1117 系列的過(guò)流保護(hù)特性呈現(xiàn)為下垂特性。A 點(diǎn)是過(guò)流保護(hù)觸發(fā)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的輸出電流約為 1.7A（標(biāo)準(zhǔn)值）。雖然過(guò)流保護(hù)功能被觸發(fā)時(shí)輸出電流下限存在差異，但絕不會(huì)低于 1A 的輸出電流保證值。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，限流電路立即動(dòng)作，使輸出電流維持恒定，同時(shí)輸出電壓近乎垂直下降至 B 點(diǎn)。此后，只要過(guò)流狀態(tài)持續(xù)，便會(huì)維持此狀態(tài)。這意味著，若輸出短路由負(fù)載導(dǎo)致，負(fù)載無(wú)法得到保護(hù)。當(dāng)過(guò)流狀態(tài)解除后，輸出電壓會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。

在輸出電流超過(guò) 1A 的保證值、但未達(dá)到過(guò)流保護(hù)觸發(fā)點(diǎn)（標(biāo)準(zhǔn)值 1.7A）期間，線性穩(wěn)壓器雖能工作，但電氣特性將不受保證（參照技術(shù)規(guī)格書(shū)的規(guī)格值保證條件）。此外，無(wú)論輸出電流大小如何，若持續(xù)工作時(shí)超過(guò)允許損耗（額定值 1.2W，TO252 - 3 封裝），過(guò)熱保護(hù)電路將啟動(dòng)并關(guān)閉輸出。

（圖 7：BA1117 系列的過(guò)流保護(hù)特性）

五、線性穩(wěn)壓器的過(guò)熱保護(hù)（TSD）

過(guò)熱保護(hù)（TSD：Thermal Shutdown）的作用是，當(dāng)輸出短路或功率損耗增加導(dǎo)致 IC 芯片溫度超過(guò)額定值時(shí)，保護(hù) IC 免受過(guò)熱損傷。需要特別注意的是，該保護(hù)功能并非用于替代負(fù)載和裝置的過(guò)熱保護(hù)。

BA1117 系列的過(guò)熱保護(hù)電路在檢測(cè)到芯片溫度（結(jié)溫）超過(guò)約 155℃（參考值）時(shí)，將關(guān)斷線性穩(wěn)壓器輸出并切斷電流，以降低芯片溫度。當(dāng)芯片溫度降至約 150℃（參考值）時(shí)，輸出重新開(kāi)啟并恢復(fù)電流供應(yīng)。在芯片溫度異常升高原因消除前，輸出會(huì)反復(fù)開(kāi)啟和關(guān)斷。在此狀態(tài)下，IC 雖不會(huì)立即損壞，但長(zhǎng)期反復(fù)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致 IC 老化甚至損壞，應(yīng)避免該情況的發(fā)生。

（圖 8：BA1117 系列的過(guò)熱保護(hù)特性）

六、線性穩(wěn)壓器的等效電路

通過(guò) BA1117 系列的等效電路，可大致了解各引腳之間的內(nèi)部連接關(guān)系，以及輸出級(jí)與輸入級(jí)電路的基本結(jié)構(gòu)。盡管實(shí)際電路更為復(fù)雜，且因 IC 結(jié)構(gòu)而存在寄生元件等，但等效電路對(duì)于理解器件的工作特性與表現(xiàn)具有重要作用。

BA1117 作為壓降為 1V～1.2V（標(biāo)準(zhǔn)值）的 LDO，其特性源于輸出級(jí)采用了 NPN 晶體管與 PNP 晶體管的達(dá)林頓連接結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)等效電路也可大致理解過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)熱保護(hù)電路的工作原理。盡管這部分并非必須研究的內(nèi)容，但可作為深化理解的參考資料。

（圖 9：BA1117 系列的等效電路）

綜上所述，深入了解線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)特性、關(guān)斷特性、浪涌電流以及各種保護(hù)功能等方面的知識(shí)，對(duì)于電子工程師在設(shè)計(jì)和應(yīng)用線性穩(wěn)壓器時(shí)具有重要的指導(dǎo)意義。只有充分考慮這些因素，才能確保電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性。