线性、开关与串联稳压器的原理与应用解析

稳压器是电子设备中至关重要的组成部分，它们能够保证电源提供的电压稳定，确保设备在特定的电压范围内正常工作。在众多的稳压器类型中，线性稳压器、开关稳压器和串联稳压器是最常见的几种。本文将详细解析这三种稳压器的工作原理、功能以及电路配置。

线性稳压器和开关稳压器

在之前的芝识课堂中，我们曾多次提及线性稳压器和开关稳压器，接下来将为大家更深入地介绍它们的原理及功能。

线性稳压器的输入电压通常大于输出电压，它主要通过内部调整元件（如晶体管）的阻抗变化，来处理输入电压与输出电压之间的差值，也就是压差。形象地说，线性稳压器就像是一位精准的 “电压调控师”。当面对过高的输入电压时，它会果断 “出手”，将超出目标输出值的电压 “切断”，以此确保输出电压始终保持恒定。而被 “削峰” 的这部分电压，最终会以热量的形式释放出去，从而使输出电压保持稳定。

从电路配置方面来看，线性稳压器中典型的串联稳压器采用误差放大器、参考电压源和调整晶体管构成闭环反馈系统，能够实时监测并修正输出电压。

图 1. 线性稳压器与开关稳压器工作原理

线性稳压器主要包括三端稳压器和 LDO 稳压器。三端稳压器采用传统结构，需要较高的输入 - 输出电压差（通常≥2V），效率相对较低，比较适用于中高功率场景。而 LDO 稳压器则优化了压差（可低至 0.1V），非常适合输入 - 输出电压接近的场合，例如电池供电设备。不过，在使用 LDO 稳压器时，需要特别注意散热设计。

接下来看看开关稳压器，它是通过控制功率开关管（如 MOSFET）的导通与关断时间，来调节能量传输的占空比，最终利用电感 / 电容储能滤波，将输入电压转换为稳定的平均输出电压。其核心特点为 “斩波式” 稳压，即输入电压被高频斩波，通过调整开关占空比来控制能量传输，因此效率显著高于线性稳压器。

开关稳压器的拓扑结构包含 Buck（降压）、Boost（升压）等类型，支持宽输入电压范围，适用于高功率或输入波动大的场景。

图 2. 线性稳压器和开关稳压器对比

如图 2 所示，大家可根据具体需求选择不同类型的稳压器。如果需要低噪声、简单电路，那么线性稳压器是不错的选择；而如果追求高效、大功率，则应选择开关稳压器。

串联稳压器

串联稳压器位于电源与负载之间，宛如一位精准的 “电压调节卫士”。其工作原理是依据输入电压或输出电流的变化情况，灵活调整可变电阻阻值，从而确保输出电压始终稳定在设定值。

在现代电子技术中，串联稳压器 IC 采用 MOSFET 或双极结型晶体管（BJT）等有源器件，巧妙地替代了传统的可变电阻，这一改进极大地提升了稳压器的性能与可靠性。

图 3. 用 MOSFET 或 BJT 等有源器件取代可变电阻的串联稳压器

串联稳压器的电路配置精巧严谨，主要由以下四个核心部分构成：

◆输出晶体管：串联在串联稳压器的输入与输出引脚之间，就像一座桥梁连接着上下游。当输入电压或输出电流发生波动时，误差放大器发出的信号会精准控制其栅极电压或基极电流。

◆参考电压源：作为误差放大器的基准参照，参考电压源具有至关重要的意义。误差放大器正是依据这个稳定的参考电压，对输出晶体管的栅极或基极进行精确调控，从而保证输出电压的稳定。

◆反馈电阻：负责对输出电压进行分压处理，进而产生反馈电压。误差放大器通过对比反馈电压与参考电压，实现对输出电压的精准控制。这两个反馈电阻串联在 VOUT 和 GND 引脚之间，其中间点电压会被施加到误差放大器。

◆误差放大器：它如同串联稳压器的 “智慧大脑”，会仔细比较反馈电压（即两个反馈电阻中点的电压）与参考电压。当反馈电压低于参考电压时，误差放大器会增强 MOSFET 的驱动力，降低漏源电压，以提升输出电压；反之，当反馈电压高于参考电压时，则会减弱 MOSFET 的驱动力，增加漏源电压，进而降低输出电压。

图 4. 串联稳压器电路配置

以东芝 TCR3U 系列为例，它是一种出色的 LDO 稳压器。该系列产品大幅降低了现有产品空载时的偏置电流，其独特的电路配置可避免输入电压降至预设输出电压以下时，偏置电流突然上升的情况。虽然该系列的电流消耗较低，但却有着不俗的负载瞬态响应性能，能够稳定应对运行中输出电流的突变。

通过 DC/DC 转换器实现电压稳定的装置被称为电压稳压器。按转换方式，电压稳压器分为线性稳压器和开关稳压器。线性稳压器在处理输入输出电压差时会产生一定的功耗，尤其是在高输入输出电压差与高负载电流相结合的情况下，会产生大量的功耗。而开关稳压器则凭借其 “斩波式” 稳压的特点，在效率方面具有明显优势。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择合适的稳压器，以确保电子系统的稳定运行。