全國大學生電子設計競賽(三)--線性電源設計

3.1 線性電源基本原理

  電源轉換器按照傳輸器件的工作狀態和從電源向負載輸送功率的連續性，可以分爲線性型和開關電源型。其中線性型電源的特點是：從電源向負載連續輸送功率；傳輸器件（調節從電源至負載的電流流動的器件）工作於線性區。而開關型電源則是以脈衝串的形式從電源向負載輸送功率，傳輸器件按週期接通和關斷。本章主要介紹線性電源設計，下一章將介紹開關電源的設計。
  本章所介紹的線性電源，主要是指DC-DC變換器中的線性電源轉換器。按照輸出參數的不同，可以分爲線性穩壓源和線性恆流源兩類。

3.1.1 線性穩壓器

  線性穩壓器的工作原理

  圖3.1中給出了一個典型的線性穩壓器電路結構，其中電阻R1和R2組成一個分壓網絡，對輸出電壓進行取樣。取樣得到的電壓值與參考電壓比較，比較結果反饋到誤差放大器，誤差放大器的輸出控制調整管（傳輸元件）的導通程度，從而達到調節傳輸器件至負載的電流的目的，使輸出電壓保持穩定。在線性穩壓器芯片中，芯片內部包含通流器件、誤差比較放大器、基準電壓結構，有些芯片中內置分壓網絡，有些則需要設計人員連接在芯片外部。
  更清晰地，圖3.2使用了以模塊的形式說明了線性穩壓器的4個基本組成部分：
  實際上，當把反饋部分簡化時，線性穩壓器可以等效成一個與負載串聯的受控的可變電阻 ，如圖3.3所示。當輸入電壓、負載電流或輸出阻抗發生變化時，Rpass的數值也將相應地改變以維持輸出電壓的穩定。由圖3.3還可以看出，流過通流器件的電流大小與流過負載的電流（輸出電流）大小相等。


  按照通流器件的不同，線性穩壓器可以分爲四種，如圖3.4所示：
（a）NPN型：如78系列穩壓器、LM317等。輸入和輸出之間的最小壓差（Drop out voltage，用VDO來表示）較大，$V_{\mathrm{DO}}=2V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}}$ ，一般在2V以上。
（b）“準LDO”型：如LM1117。最小壓差比NPN型小，$V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}}$ ，但仍在1V以上。
（c）PNP型：如TPS7A4901等。最小壓差較小，$V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{SAT}}$ ，但相對輸出電容ESR有要求。
（d）MOSFET型：如TPS7A8300等。最小壓差很小，$V_{\mathrm{DO}}=R_{\mathrm{ON}} \times I_{\mathrm{LOAD}}$，其中PMOS型對輸出電容ESR有要求。
  NPN型和PNP型屬於雙極型線性穩壓器，雖然它們的輸入-輸出壓降較大，但是能支持較高的輸入電壓且擁有更好的瞬態響應。而MOSFET型能支持非常低的輸入-輸出壓降，具有低靜態電流、良好的噪聲性能以及良好的PSRR（電源抑制比，該參數概念將在本節之後的部分提出）。由於PNP型和MOSFET型穩壓器具有較低的壓降，因此又被稱爲LDO（low dropoutregulator低壓差線性穩壓器） 。現今的LDO標準是壓差<0.5V。
  下面對四種基本線性穩壓器拓撲進行具體分析：
①“準LDO”型和NPN型
  如圖3.5所示，輸出電壓取樣後，通過一個NPN三極管（Q3）來控制一個PNP型的前級晶體管（Q2），這個前級晶體管（Q2）再通過集電極電流來控制功率傳輸管Q1，Q1在如圖3.5所示的拓撲中是單個NPN晶體管（如圖3.4（b）中所示，稱爲“準LDO”型），也可以是達林頓管（如圖3.4（a）中所示，稱爲NPN型）。由於這兩種類型的線性穩壓器拓撲非常接近，因此將它們放在一起介紹。

  如圖3.6所示，圖中灰色線表示電流路徑。“準LDO”型穩壓器輸入輸出之間的最低壓降$V_{\mathrm{DO}}=V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}}$，而NPN型穩壓器的最低壓降$V_{\mathrm{DO}}=2V_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{SAT}}$ ，其中 是功率晶體管集電極和發射極之間的飽和壓降。
  在圖3.7中可以計算出“準LDO”型穩壓器在一定的負載電流（$V_{\mathrm{LOAD}}$ ）下所需要的驅動電流。
  可以看出，芯片的靜態電流會隨負載電流的增加而成比例地增加。
  當傳輸器件由一個NPN型三極管換成兩個NPN管組合成的達林頓管時，就構成了NPN型穩壓器，如圖3.8所示，它的工作原理與“準LDO”型穩壓器相同，此時Q1的放大倍數爲兩個三極管的放大倍數之積。

  NPN穩壓器和“準LDO型”穩壓器的特點：
  輸入電壓至少要比輸出電壓高0.9V至1.5V；“準LDO型”穩壓器工作時的接地電流比NPN-達林頓管型穩壓器大，但小於PNP型LDO穩壓器；電路輸出端需要一個輸出電容器，但一般不像PNP型LDO那樣具有特殊的ESR要求。
② PNP型LDO
一個典型的PNP型LDO的結構如圖3.9所示。它的傳輸元件是一個功率型的PNP管（Q1），基極連接一個對地的NPN型晶體管（Q2）。分壓網絡對輸出電壓取樣後，進入誤差放大器與基準作比較，誤差放大之後對Q2進行控制，由於Q2集電極電流也就是Q1基極電流，因此也就控制了Q1集電極電流，實現了輸出電壓的變化。由於功率晶體管Q1是PNP型的晶體管，輸出爲集電極，因此輸出阻抗比較大，需要給輸出增加輸出電容器，並控制這個電容器的ESR 控制在一定範圍之內，才能保證這種LDO的工作穩定。

  由圖3.10可以看出，PNP型LDO的最小壓降 ，即功率晶體管集電極和發射極之間的飽和壓降。
  圖3.11是描述的是PNP型LDO在一定的負載電流（ ）下所需要的驅動電流。PNP型LDO的靜態電流，也就是它的功率晶體管（Q1）基極對地流出的電流，由集電極給負載提供的輸出電流和基極、發射極電流的比值β決定，分析方法與NPN型穩壓器中靜態電流的分析方法相似，在上文中已進行過介紹，此處只給出結果

  PNP型LDO的靜態電流隨負載電流的增加而成比例地增加，可以看出，它的靜態電流遠遠大於NPN型和“準LDO型”穩壓器。
  PNP型LDO的特點：
  要求輸入電壓至少比輸出電壓高100mV至700mV；具有高於NPN型線性穩壓器的接地引腳電流；需要謹慎地選擇輸出電容器數值和ESR。
③ NMOS型的LDO

  由圖3.12可以看到，NMOS型LDO的壓降由導通電阻$R_{\mathrm{ON}}$ 和輸出電流 $I_{\mathrm{LOAD}}$決定，等於二者之積。在實際應用中，一個標準的NMOS傳輸晶體管實際上將由幾千個並聯的單獨晶體管組成。
  不同於由電流控制的晶體管器件，NMOS屬於電壓控制器件，控制電壓信號不需要消耗誤差放大器中的電流，因此它的靜態電流比較小，而且幾乎不隨負載的變化而變化。相對於晶體管組成的穩壓器而言，NMOS型LDO的低靜態電流是它最大的優勢，但同時它可以提供的輸出電流會相對小一些。
  NMOS型LDO的特點：
  爲了導通MOS管，柵極需要比源極高一個閾值電壓，若需要的壓降比較小，則需要另外增加升壓電路電荷泵來上拉柵極電位；NMOS的導通電阻低於PMOS；輸出阻抗比較小，可減輕負載極點的影響；可在採用小的外部電容器時保持穩定；靜態電流較小且與負載無關；
  ④ PMOS型LDO
  在NMOS型LDO中，由於NMOS的源極和門級之間存在導通門限，因此簡單構成的NMOS 型LDO的輸入輸出壓差不可能很小，必須大於這個導通門限，否則就需要設計升壓電路電荷泵來提高柵極電壓，使得電路變得比較複雜。引入PMOS構成的LDO可以克服該缺點。如圖3.13所示，PMOS的輸入端爲源極，而門級電壓需要低於源極且壓差高於導通門限才能使其導通，因此PMOS型LDO的驅動比NMOS型LDO簡單。它的壓降同樣等於導通電阻與輸出電流之積，可降至100mV左右。

  由圖3.13可以看出，PMOS型LDO的結構和原理與NMOS型非常類似，由於傳輸管PMOS管也是電壓控制器件，因此隨着負載電流的變化，電路的靜態電流幾乎也是不變的。
  PMOS型LDO的特點：
  靜態電流較小且與負載無關；輸出阻抗較大且受負載電阻影響，需要謹慎選擇輸出電容的電容值和ESR值；要求輸出電壓高於傳輸元件的VGS；

線性穩壓器的性能參數

  電壓差 ：線性穩壓器在指定工作範圍內，輸出能夠穩定在期望值時，系統能夠接受的最小輸入輸出電壓差值。線性穩壓器的數據手冊中會對最小壓降進行說明，但一般只規定最大輸出電流條件下的壓降，其他工作條件的壓降可以通過計算求出。
  最大輸出電流：穩壓器能夠保持輸出電壓不變時的最大電流。
  靜態電流IQ：輸入輸出電流之差，由穩壓器所IO,max消耗且不流向輸出負載的電流。該部分電流流入GND，因此有時也被稱爲接地電流或對地電流，用IGND表示。IQ是線性穩壓器自身的工作電流，主要由提供給誤差放大器、基準電壓源、採樣電阻等的偏置電流與調整管的驅動電流組成，反映了線性穩壓器自身的功率消耗。如圖3.14所示。
  與提供給負載的電流相比，對地電流只是很小的一部分（但PNP型LDO的對地電流會比較高，可以達到負載電流的7%）。因此在高負載電流時，線性穩壓器內部功率管上的功耗是影響效率的主要原因。而在空載或者低負載電流時，對地電流成爲影響效率的主要原因。影響對地電流的主要是溫度、負載電流和輸入電壓。內部晶體管的溫漂特性會導致對地電流隨溫度變化；在雙極型晶體管組成的線性穩壓器中，由於雙極型晶體管屬於電流驅動器件，因此靜態電流隨負載電流成比例地增加；輸入電壓同時爲內部放大器、基準源供電，電壓升高則相應功耗增加，因此對地電流也會隨輸入電壓變化。
  對地電流這一規格指標對於需要始終保持運行的應用（如基帶、實時時鐘等）以及低功耗電路很重要，它將影響電路的效率或影響電池的使用時間。
  效率：線性電源的效率計算方法如下：

  效率等於輸出功率比輸入功率，當線性穩壓器的自身耗電電流 可以忽略時，輸入電流可以看作等於輸出電流，效率近似等於 。
  功率耗散 ：通流器件上消耗的功率。爲了保證節點溫度不至於過高，線性穩壓器的功耗必須限制在一定範圍內，因此有必要計算通流器件上的功率耗散。

  電源紋波抑制比（PSRR，Power Supply Rejection Ratio）：輸出電壓紋波與輸入電壓紋波之比，通常用對數形式表示，單位是dB，用來衡量線性穩壓器抑制輸入電源變動產生的影響的能力。該規格指標對於具有高噪聲限制要求的應用（如低噪聲放大器、音頻、RF 和無線等）很重要。控制環路是影響紋波抑制比的重要因素，在滿足設計要求的前提下，較大的輸入電容、較低的ESR和增加旁路電容等能夠改善紋波抑制比。
基帶噪聲：某個特定頻率範圍內的總噪聲能量。該規格指標對於具有高噪聲限制要求的應用（如PLL、TCXO、RF 和無線等）很重要。
  瞬態響應：負載電流突變時引起的輸出電壓變化的最大值。瞬態響應與輸出電容的電容值及其等效串聯電阻、旁路電容值有關。爲了獲得更好的瞬態響應，線性穩壓器需要更寬的帶寬、更大的輸出電容和更小的ESR。
  此外，線性穩壓器的參數還包括負載調整率、線性調整率等，已在第一章中進行過介紹。
  總結：線性穩壓器的特點
  線性穩壓器使用內部晶體管或MOS管作爲傳輸器件，可以看做是一個位於輸入和輸出之間的可變電阻，阻值隨負載和輸入電壓發生變化，經過這個可變電阻的電流和負載的電流一致，所以可變電阻上消耗功率，並且線性穩壓器內部的反饋和控制部分也消耗功率，所以當Vin和Vout電壓差別大時線性穩壓器效率很低。
  線性穩壓器只能提供降壓功能，不能升壓，是典型的降壓型穩壓器。
  線性穩壓器的設計簡單、成本低，需要的外部元件少，輸出噪聲低，具有很好的線性調整率和負載調整率，對輸入電壓和負載變化響應迅速，EMI干擾小。
  線性穩壓器的典型應用是在輸出電壓跟輸入接近的場合，或者是作爲開關穩壓器的第二級。

3.1.2 線性恆流源

  恆流源是電路中廣泛使用的一個組件，它向負載提供恆定電流且不隨負載電阻的變化而變化。理想恆流源內阻爲無窮大。恆流源的實質是利用器件對電流進行反饋，動態調節設備的供電狀態，從而使得電流趨於恆定。這裏整理一下比較常見的恆流源的結構和特點。

1.簡易恆流源

如圖3.15所示，用兩隻同型三極管，利用三極管相對穩定的 作爲基準，輸出電流 。這種恆流源的優點是簡單易行，輸出電流可以自由控制。缺點是不同型號的管子，其 不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時，不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動，因此不適合精密的恆流需求。

2.運放恆流源

  典型的運放恆流源如圖3.16所示。爲了能夠精確輸出電流，使用了運放進行反饋。如果需要進一步提高電流精確性，可以把三極管更換爲場效應管來避免三極管的基極-射極電流導致的誤差。運放恆流源中輸出電流$I=V_{\mathrm{in}}/R_{\mathrm{1}}$ 。

3.穩壓二極管恆流源

  利用穩壓二極管和一隻三極管，可以搭建一個更簡易的恆流源，如圖3.17所示，該電路的輸出電流 。

4.電壓基準芯片

  TL431是一個常用的電壓基準芯片，利用TL431搭建的恆流源如圖3.18所示，輸出電流$I=2.5/R_{\mathrm{1}}$ 。

  以上這些恆流源並不都適合安培以上級別的恆流應用，因爲電阻上面太大的電流會導致發熱嚴重。

5.JFET電流源

6.鏡像電流源

7.微電流源（又稱維德拉電流源）

8.高輸出阻抗電流源（威爾遜電流源）

9.加射極輸出器的電流源

10.比例電流源

11.MOS管多路電流源

12.BJT多路電流源

3.1.3 電子負載

  在電路中，連接在電源兩端，將電源輸出的電能吸收並轉化爲其他形式的能量儲存或消耗掉的結構稱爲負載。根據負載在電路中表現的特性，可將其分爲阻性負載、容性負載、感性負載和混合性負載等。在測試電源設備的性能時，通常採用電阻、電容、電感等或它們的串並聯組合作爲負載，來模擬真實的負載情況，測試電源設備在不同條件下的穩定性和可靠性，從而發現電源設備的缺陷並加以改進和完善。
  電子負載是利用電子元件，如功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等器件作爲電能消耗的載體，實現負載功能的設備。它通過改變內部功率器件的導通量來控制工作狀態，從而調節功率器件消耗電能的狀態，易於實現負載的調節和控制，能達到很高的調節精度和穩定性。同時，電子負載不僅可以模擬實際的負載情況，還可以模擬一些特殊的負載波形曲線，測試電源設備的動態和瞬態特性。
  直流電子負載的設計基於電流反饋控制原理。場效應管工作在線性區（可變電阻區）時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵源電壓控制的可變電阻。採用運算放大器和反饋來控制MOSFET的柵極電壓，從而達到控制其內阻變化的目的。下面從直流電子負載的不同工作模式入手，對電子負載的工作原理進行詳細分析：
  直流電子負載的工作模式主要有恆流、恆壓、恆阻、恆功率等幾種。
  恆流模式：電子負載所流入的負載電流保持設定值不變，與輸入電壓大小無關。恆流模式可以通過總電流信號的反饋，由控制器直接控制給定電壓，來達到預設的電流值。如圖3.29所示，誤差放大器通過比較取樣電阻R上的電壓和給定參考電壓$V_{\mathrm{REF}}$ 來控制效應管的$R_{\mathrm{DS}}$ ：如果R上的電壓小於$V_{\mathrm{REF}}$ ，運放加大輸出，增大MOS的導通程度，從而加大通過R的電流；如果R上的電壓大於$V_{\mathrm{REF}}$ ，運放減小輸出，MOS導通程度減小，也就減小了通過R的電流。這樣，就使整個迴路工作和保持在設定的電流。可通過改變$V_{\mathrm{REF}}$ 的大小來改變恆流電流設定值，$V_{\mathrm{REF}}$ 可用電位計手動調節輸入或用DAC芯片由MCU控制輸入，實現數控恆流電子負載。
  恆壓模式：電子負載電壓維持設定值不變，流入的負載電流依據所設定的負載電壓而定。如圖3.30所示，恆壓模式的工作原理與恆流模式非常相似，不同的是比較的不再是電流感應電阻上的電壓，而是分壓電路上的電壓。通過採集電壓信號作爲反饋，與給定電壓進行比較，以此來調整流過場效應管的電流大小，使得負載電壓達到預設值。

  恆阻模式：負載電阻保持設定值不變，輸入電壓與負載電流成正比例，比值即是所設定的負載電阻。如圖3.31所示，比較電流回路感應電阻R上的電壓和電壓回路分壓電阻上的電壓值，負載電流和電壓同時受控，就能夠保持特定的電壓和電流的比率，保證了電路的恆阻特性。在有些數控電子負載中並不設計專用電路，而是通過採集電流和電壓值，在控制器中運算得到電阻值大小，然後通過調整電流大小，使電阻值恆定，但這種方法響應較慢，專業的恆阻電子負載都是由硬件實現的。

  恆功率模式：負載功率保持設定值不變，電子負載流入的負載電流依據所設定的負載功率大小而定。大部分電子負載都採用恆流電路來實現恆功率模式，採集電流和電壓信號並計算乘積得到功率值，通過控制電流大小，保證乘積達到預設值，即工作在恆功率模式。

3.2 線性電源設計技巧

3.2.1 典型線性穩壓器及其應用電路

3.2.1.1 78、79系列三端固定穩壓器

  78、79系列是目前常見的三端固定電壓輸出集成穩壓器。該系列三端穩壓器具有內部過熱保護、輸出端電流短路保護和輸出晶體管保護功能，組成穩壓電源時所需的外圍元件很少，使用方便，價格低廉，因此應用範圍很廣泛。


  儘管LM340和LM7805系列主要設計爲固定電壓調節器，但這些器件可與外部元件一起使用，以調節電壓和電流。由於正負固定電壓輸出穩壓器的參數及應用類似(僅極性相反)，因此本章以介紹正輸出穩壓器的應用爲主。下面給出一些三端固定正穩壓器的典型應用：
  ① 固定輸出電壓調節器
  輸入電壓是從變壓器輸出的交流電壓經過整流濾波得到的不穩定的直流電壓，輸出端得到穩定的直流電壓。 的電容值一般爲0.1～0.47μf，其作用是改善紋波和抑制輸入瞬時過電壓；輸出端旁路電容 的電容量一般是0.1μf，其作用是獲得最佳的穩定性和改善負載的瞬態響應。這些電容器必須儘可能靠近調節器放置。輸入電容 有時可以省略，但如果設備距電源濾波器6英寸以上，則必須使用輸入電容。
  ② 提高輸出電壓
  如果現有的三端固定穩壓器輸出小於所需要的電壓值，可以用如圖3.34所示的電路來實現。電路中外接了電阻 和 ，則穩壓器的輸出電壓爲:$V_{\mathrm{o}}=V_{\mathrm{xx}}\left(1+R_{2} / R_{1}\right)+I_{\mathrm{Q}} \cdot R_{2}$

擡高輸出電壓還可以採用圖3.36的電路。用一隻穩壓二極管 將三端集成穩壓器的公共端電位擡高到穩壓管的擊穿電壓 ，此時，實際輸出電壓 等於穩壓器原輸出電壓與 之和。將普通二極管正向運用來代替 ，同樣可起到擡高輸出電壓的作用。若二極管使用發光二極管LED，還可以起到電源指示作用。二極管 起保護作用．當輸出端短路時 導通，可避免電流由公共端倒灌入輸出端而造成穩壓器損壞。
  ② 恆流源
 &emsp用三端穩壓器還可以做成恆流電源。在其輸出端與地之間接入適當電阻 R，則流過該電阻的電流爲$I_{\mathrm{R}}=V_{\mathrm{XX}}/R$ ，其中$V_{\mathrm{XX}}$ 是穩壓器的標稱輸出電壓。因$V_{\mathrm{XX}}$ 的偏差很小，所以流過R的電流（也就是流過負載 $R_{\mathrm{L}}$的電流$I_{\mathrm{O}}$ ）的準確度與穩定度較高。當負載發生變化時， R上的壓降$V_{\mathrm{R}}=I_{\mathrm{R}}.R$ 隨之改變，但穩壓器具有穩壓作用，它通過自動調節內部調整管壓降的大小來保證$V_{\mathrm{XX}}$不變，從而使$I_{\mathrm{o}}$不受負載變化的影響。輸出電流按下式給出：

  從式中可以看出，調節電阻R的大小可以改變恆流值。當R較小，輸出電流較大時，可以忽略$I_{\mathrm{Q}}$ 。
  ③ 擴展輸出電流的方法
  當電路所需電流超過三端穩壓器的額定最大輸出值時，可以採用外接功率管的辦法來擴展電流，其電路如圖3.38所示。



  $Q_{\mathrm{2}}$和$R_{\mathrm{SC}}$組成限流保護電路。當輸出電流過大時，$R_{\mathrm{SC}}$上的壓降增大，使$Q_{\mathrm{2}}$管導通，電流由此被旁路。這時$Q_{\mathrm{1}}$管的輸出電流減小，起到保護功率管$Q_{\mathrm{1}}$的作用。
  此外，也可以採用多塊穩壓器並聯擴流，最大輸出電流爲所有並聯的集成穩壓器的最大輸出電流之和。實際應用中，穩壓器最好使用同一廠家、同一型號產品，以保證其參數一致性。
  另外，最好在輸出電流上留有10%～20%的裕量，以避免個別穩壓器失效造成三端集成穩壓器連鎖燒燬。
7805三端穩壓IC在電路運用中應注意以下事項：

• ① 輸入輸出壓差不能太大或太小，太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；太小（低於2V時）穩壓效率急速下降。
• ② 在實際應用中，應在三端集成穩壓電路上安裝散熱片。尤其是輸出大電流時，散熱片的尺寸要足夠大，否則會使穩壓管溫度過高，穩壓性能將變差，甚至導致高溫保護或熱擊穿。散熱片總是和最低電位的管腳相連。在78系列中，散熱片與地連接，而在79系列中，散熱片與輸入端連接。
• ③ 如果想使用78系列集成穩壓器得到負電壓輸出或使用79系列集成穩壓器得到正電壓輸出，把引出線的輸出和地互換接到負載上即可。
• ④ 使用時負載電流不能小於5mA。

3.2.1.2 輸出可調集成三端穩壓器LM317

  LM317是一款可調三端正穩壓器，能夠在1.25V至37V的輸出電壓範圍內提供超過1.5A的電流，僅需要兩個外部電阻即可設置輸出電壓。LM317具有0.01%的典型線性調整率和0.1%的典型負載調整率，還包括電流限制、熱過載保護和安全工作區保護功能。
下面介紹幾個典型的LM317的應用電路。
  ① 可調電壓調節器
  該電路的輸出電壓爲
            $V_{\mathrm{O}}=V_{\mathrm{REF}}\left(1+R_{2} / R_{1}\right)+\left(I_{\mathrm{ADJ}} \times R_{2}\right)$
  輸出電壓由$R_{\mathrm{1}}$、$R_{\mathrm{2}}$決定。$I_{\mathrm{ADJ}}$通常爲50μA，在大多數應用中可以忽略不計，因此
              $V_{\mathrm{o}} \approx V_{\mathrm{REF}}\left(1+R_{2} / R_{1}\right)$

  建議使用輸入電容$C_{\mathrm{in}}$，特別是在穩壓器不靠近電源濾波電容的情況下，一般選擇0.1μF或1μF的陶瓷或鉭電容即可。
  爲了保證更低的輸出噪聲以及更快的動態響應，往往需要加上輸出電容$C_{\mathrm{out}}$。此時建議使用保護二極管D1，用來提供一個低阻抗的放電路徑，以防止電容器通過內部低電流路徑放電到調節器的輸出端並損壞器件。
  旁路電容$C_{\mathrm{ADJ}}$用來改善紋波抑制，防止輸出電壓升高時紋波的放大。它通過“清理”反饋路徑來平滑輸出紋波，並阻止不必要的噪聲反饋到電路，傳播噪聲。此處採用10μF旁路電容器，可以在任何輸出電平上獲得80dB的紋波抑制。如果使用$C_{\mathrm{ADJ}}$，有時需要使用保護二極管D2，作用與D1相同。
  ② 慢啓動穩壓電源
  慢啓動穩壓電源在一些燈絲供電電路、音響設備電源中得到廣泛應用，這種電路可以用來減小衝擊電流以延長燈絲壽命或消除開機時喇叭的“噗”聲。圖3.41是用LM317組成的慢啓動+12V穩壓電源電路，使用PNP晶體管容$Q_{\mathrm{1}}$ 和一個電容容$C_{\mathrm{o}}$來實現慢速啓動功能。電路剛上電時，$C_{\mathrm{o}}$ 還未充電，由於 $C_{\mathrm{o}}$上電壓不能突變，故$Q_{\mathrm{1}}$ 導通，將$R_{\mathrm{2}}$ 短路，輸出電壓$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{CO}}+V_{\mathrm{BE}}$ ，其中$V_{\mathrm{CO}}$=1.25V，是LM317的基準電壓。隨着$C_{\mathrm{o}}$的充電，$Q_{\mathrm{1}}$逐漸退出飽和區，其集射極電壓，即$R_{\mathrm{2}}$上的電壓逐漸增大，輸出電壓$V_{\mathrm{out}}$ 慢慢升高。一直到$C_{\mathrm{o}}$ 充電完畢，$Q_{\mathrm{1}}$ 截止，輸出電壓$V_{\mathrm{out}}$ 才達到設定值。穩壓電源的啓動速度由時間常數$R_{\mathrm{3}}C_{\mathrm{o}}$ 確定，輸出電壓由$R_{\mathrm{1}}$ 、$R_{\mathrm{2}}$ 確定。其中二極管 $V_{\mathrm{D}}$是爲了幫助三端集成穩壓器正常啓動而設置的，爲電容放電提供通路。

  ③ 具有電子關斷的5V邏輯電壓調節器
  圖3.42爲使用LM317搭建的具有電子關斷的5V邏輯電壓調節器。NPN三極管Q1響應TTL引腳邏輯來阻斷或吸收來自ADJ引腳的電流。當TTL拉高時，Q1導通，將ADJ引腳拉至GND，LM117輸出約1.25V。當TTL拉低時，Q1關斷，調節器根據設定的可調電壓輸出。

3.2.2 PCB佈局建議

• ① 輸入旁路電容應儘量靠近器件的輸入端和系統地。由旁路電容器連接，輸入端子和系統GND形成的環路區域應儘量小。
• ② 傳輸負載電流的走線必須很寬以消除I×R壓降和散熱，減少寄生電感。
• ③ 從VOUT到ADJ的反饋迴路必須儘可能短。爲了提高PSRR，旁路電容可以放在OUTPUT引腳，並且必須儘可能靠近IC放置。
• ④ 在VIN短路接地的情況下，必須在VOUT至VIN之間放置一個外部二極管，以分流來自輸出電容的浪涌電流並保護IC。同樣，如果在ADJ引腳上放置一個大的旁路電容，並且VOUT對地短路，則必須將一個外部二極管從ADJ放置到VOUT，以提供旁路電容放電的路徑。這些二極管必須靠近相應的IC引腳放置，以提高其有效性。
• ⑤ 電流設定電阻 （圖3.42中）必須連接在穩壓器的輸出端附近，而不是靠近負載。如果 距輸出端太遠，則增加的走線電阻 會導致調節迴路中的誤差電壓降，並降低負載調節性能，尤其是在較高的電流負載情況下。因此， 必須儘可能靠近輸出端，以使 最小化，並最大限度地提高負載調節性能。 的地可以返回到負載的地面附近，以提供遠程地面感測並改善負載調節。

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