線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)特性

以下將介紹線性穩(wěn)壓器電源(VIN)開(kāi)啟時(shí)的啟動(dòng)特性及關(guān)閉時(shí)的特性。當(dāng)線性穩(wěn)壓器的電源在開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)，其工作特性會(huì)受VIN的瞬態(tài)變化及輸出電容的靜電容量等因素影響而變化。由于這些特性往往會(huì)對(duì)負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生影響，因此在工作性能評(píng)估中，它們是必不可少的檢查項(xiàng)目。

線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)特性

下圖為VIN階躍導(dǎo)通時(shí)的啟動(dòng)波形示意圖。當(dāng)VIN上升時(shí)，線性穩(wěn)壓器的電路隨即啟動(dòng)。當(dāng)輸出電容的靜電容量較小(大致為數(shù)十μF以下)時(shí)，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，因此過(guò)流保護(hù)功能不會(huì)啟動(dòng)，也不會(huì)受到電流限制。在這種情況下，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。

接下來(lái)是同樣在VIN階躍導(dǎo)通條件下、但輸出電容靜電容量較大(大概為數(shù)百μF以上)時(shí)的啟動(dòng)波形示例。由于啟動(dòng)時(shí)輸出電容充電產(chǎn)生的浪涌電流較大，從而觸發(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)。

下表中列出了輸出電容靜電容量與輸出電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間的關(guān)系。需強(qiáng)調(diào)的是，這是BA1117系列的一個(gè)示例，實(shí)際特性會(huì)因線性穩(wěn)壓器的類型及電路條件而有所不同。核心要點(diǎn)是輸出電容靜電容量越大，啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng);輸出設(shè)定電壓越高，啟動(dòng)耗時(shí)也越長(zhǎng)。

最后是當(dāng)VIN緩慢導(dǎo)通且輸出電容靜電容量較小時(shí)的啟動(dòng)波形示例。在BA1117系列中，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。值得注意的是，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前文所述“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)。

線性穩(wěn)壓器的關(guān)斷特性

下圖為VIN階躍關(guān)斷時(shí)輸出電壓波形的示意圖。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)下式表示：

CO：輸出電容 [F] RL：負(fù)載電阻[Ω] VO：輸出電壓[V] VC：最終下降電壓[V]

下圖為VIN緩慢關(guān)斷時(shí)的波形示意圖。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)的情形一樣，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。

線性穩(wěn)壓器的浪涌電流

無(wú)論是否涉及BA1117系列，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最大值，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(關(guān)于過(guò)流保護(hù)另文說(shuō)明)。

但需注意，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。以下是利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算TJ的公式，該公式是將含有θJA的計(jì)算公式中的θJA替換成ZTH得到的。

TJ=TA+ZTH×P[℃]

TA：環(huán)境溫度 [℃] ZTH：結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的瞬態(tài)熱阻 [℃/W] P：IC功耗 [W]

P為IC功耗，可通過(guò)下式計(jì)算。需注意：該計(jì)算公式適用于類似BA1117的無(wú)接地引腳的浮動(dòng)工作類型;對(duì)于帶接地引腳的類型，公式中的IADJ項(xiàng)需改為IIN-IOUT。有關(guān)帶接地引腳的類型將另行撰文說(shuō)明。

P=(VIN–VOUT)×IOUT+(VIN×IADJ)[W]

VIN：輸入電壓 [V] VOUT：輸出電壓 [V] IOUT：輸出電流 [A] IADJ：ADJ引腳電流 [A]

當(dāng)IADJ ? IOUT時(shí)，可通過(guò)下式計(jì)算。

P=(VIN–VOUT)×IOUT[W]

為演示計(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。由右側(cè)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)值代入前面給出的結(jié)溫TJ計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

TJ=60℃+2.7×(5V–3.3V)×1.5A=66.9℃

因?yàn)門J低于150℃，所以該條件下不存在問(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。

線性穩(wěn)壓器的過(guò)流保護(hù)(OCP)

下面介紹針對(duì)前一節(jié)提及的過(guò)流保護(hù)功能。

當(dāng)IC的輸出端對(duì)地短路時(shí)，用于防止因過(guò)電流導(dǎo)致IC損壞的功能即為過(guò)流保護(hù)電路，其英文縮寫(xiě)為OCP(Over Current Protection)。關(guān)于該保護(hù)功能，需要理解的重要一點(diǎn)是它是為防止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)特性為如下圖所示的下垂特性。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)。換言之，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(絕對(duì)最大額定值1.2W，TO252-3封裝)，過(guò)熱保護(hù)電路將啟動(dòng)并關(guān)閉輸出。

線性穩(wěn)壓器的過(guò)熱保護(hù)(TSD)

與過(guò)流保護(hù)一樣，下面介紹線性穩(wěn)壓器的代表性保護(hù)功能——過(guò)熱保護(hù)。

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)絕對(duì)最大額定值時(shí)，保護(hù)IC免受過(guò)熱損傷。需特別注意，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。

線性穩(wěn)壓器的等效電路

最后介紹線性穩(wěn)壓器的等效電路。

下圖所示為BA1117系列的等效電路。通過(guò)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。