基于运算放大器的稳压器设计

通过使用通用运算放大器 (op-amp) 和一些其他外部组件，可以设计出能够提供出色性能并特别适合为低功率负载供电的线性稳压器。

“ ”This is another article of series about the design of power supply. We will analyze several hardware and simulation aspects. Here is the previous article. Enjoy!

大多数情况下，线性稳压器使用闭环控制来保持输出电压恒定。今天，市场上有几种线性稳压器可供选择：有些具有固定的输出电压，有些具有可通过分压器调节的输出电压。还有负输出电压的稳压器。最后，即使输入值非常接近输出值，低压差输出(LDO) 稳压器也能调节电压。

示意图

图 1所示电路不仅执行稳压器的功能，而且可以产生误差小于 1% 的稳定输出电压。该电路由未调节的直流电压供电，并使用放置在反馈回路中的射极跟随器配置的晶体管 (Q 1 )。该晶体管具有供给有电流大于仅具有运算放大器可获得的最大负荷的任务，而齐纳二极管(在的例子中图1，V ž = 12V)提供输入参考电压V REF的运算放大器 电阻器 R 1大小可以极化齐纳二极管，使其保持在反向传导区域。运算放大器用作电压比较器：在同相输入端是参考电压VREF(之所以这么称呼是因为它在输入电压变化时保持稳定)，而在反相输入端是将在反相输入端产生的电压输出。

图 1：带运算放大器的线性稳压器

运算放大器输出电压 V OP-AMP可以计算如下：

V OP-AMP = A × (V NON-INV – V INV )

其中V NON-INV和V INV分别是同相和反相输入端的电压，而A是运算放大器开环增益。理论上，A具有无限值，但实际上，最常见的运算放大器的值在 100,000 到 1,000,000 之间。

如何改变输出电压

在图 1的电路中，输出电压等于施加到运算放大器同相输入端的参考电压。可以通过两种不同的方式获得不同的输出电压值，但取决于齐纳 V Z电压。第一个涉及将可变分压器与齐纳二极管并联，将其中央插座连接到运算放大器的同相输入端。第二种方法是指图 2中所示的同相运算放大器方案，与图 1中的电路使用的配置相同。由电阻器 R 1和 R 2 构成的分压器是这样的：

V OUT = V IN × ((R 1 + R 2 )/R 1 )

图 2 基于运算放大器的稳压器

一个例子如图 3所示：在这种情况下，齐纳二极管提供的参考电压等于 5V，而输入电压等于 15V。利用图 3所示的值，我们得到：

V OUT = 5 × ((10K + 10K)/ 10K)V = 10V

图 3：线性降压稳压器

线性稳压器：优缺点

线性稳压器的主要优点是成本低且易于使用。市场上可用的线性稳压器是高度集成的器件，引脚数量减少：这使设计人员能够使用很少的外部组件轻松创建电源。此外，它们对负载电压的变化提供快速响应，产生几乎完全无纹波的输出电压。与开关稳压器不同，线性稳压器不受高频开关产生的噪声的影响。线性稳压器的主要缺点是效率低下，这主要是由于晶体管 Q 1 的功耗过大，其工作在线性区域。因为效率由 V OUT /V IN 给出因此，图 3中的电路的效率等于 10 V/15 V = 66.6%，因此，33.4% 的能量以热量的形式耗散。因此有必要提供适当的冷却系统，例如 PCB 上的散热器或散热层，由铜或其他金属制成。

审核编辑：汤梓红