详解线性稳压器的启动特性-电子发烧友网

线性稳压器的启动特性

以下将介绍线性稳压器电源(VIN)开启时的启动特性及关闭时的特性。当线性稳压器的电源在开启与关闭时，其工作特性会受VIN的瞬态变化及输出电容的静电容量等因素影响而变化。由于这些特性往往会对负载设备产生影响，因此在工作性能评估中，它们是必不可少的检查项目。

线性稳压器的启动特性

下图为VIN阶跃导通时的启动波形示意图。当VIN上升时，线性稳压器的电路随即启动。当输出电容的静电容量较小(大致为数十μF以下)时，启动时的浪涌电流通常不会达到触发输出过流保护电路的阈值，因此过流保护功能不会启动，也不会受到电流限制。在这种情况下，输出电压不受输出电容静电容量的影响，而是由IC内部基准电压的上升时间决定。

接下来是同样在VIN阶跃导通条件下、但输出电容静电容量较大(大概为数百μF以上)时的启动波形示例。由于启动时输出电容充电产生的浪涌电流较大，从而触发过流保护并导致电流被限制。因此，输出电容的充电电流会受到限制，而且输出电容静电容量越大，启动(达到设定值)时间就越长。

下表中列出了输出电容静电容量与输出电压启动时间的关系。需强调的是，这是BA1117系列的一个示例，实际特性会因线性稳压器的类型及电路条件而有所不同。核心要点是输出电容静电容量越大，启动时间越长;输出设定电压越高，启动耗时也越长。

最后是当VIN缓慢导通且输出电容静电容量较小时的启动波形示例。在BA1117系列中，当VIN超过约1V时，电路开始工作，输出电压随之开始上升。值得注意的是，即使输出电容较大时，电路启动的VIN电压仍保持不变，此时输出电压的上升波形与前文所述“VIN阶跃导通且输出电容值较大时”的情况类似。当VIN缓慢上升时，能够清晰观测到VIN达到启动起始电压的完整时间过程;而当VIN阶跃导通时，由于电压会瞬间超过该阈值，电路看似呈现无延迟的立即启动状态。

线性稳压器的关断特性

下图为VIN阶跃关断时输出电压波形的示意图。当VIN阶跃关断时，由于输出端输出电容残留的电荷作用，输入-输出电压会出现反转(输出电压高于输入电压)，此时输出电容的电荷会通过IC内部寄生元件向输入侧泄放。因此，输出电压会随着输入电压的下降而急剧降低，当VIN降至0V时，输出电压将维持在寄生元件导通电压(约0.7V)，下降速度趋于平缓。此后，电压会以负载电阻的时间常数持续下降。对于纯阻性负载，输出电压的下降时间可通过下式表示：

CO：输出电容 [F] RL：负载电阻[Ω] VO：输出电压[V] VC：最终下降电压[V]

下图为VIN缓慢关断时的波形示意图。当VIN电压下降至输入-输出电压发生反转的临界点时，输出电容电荷会通过IC内部的寄生元件向输入侧泄放。因此，输出电压会随着输入电压的下降而同步降低，当VIN降至0V时，输出电压会维持寄生元件的导通电压(约0.7V)，下降速度进一步放缓。此后，电压将以负载电阻的时间常数持续下降。该过程与VIN阶跃关断时的情形一样，但由于关断过程较为平缓，输出电压的下降趋势也相对平缓。

若要求VIN断开后输出电压迅速归零，则需增设强制泄放输出电容电荷的放电电路。

线性稳压器的浪涌电流

无论是否涉及BA1117系列，通常在接入输入电源且输出开始建立(启动)时，会因输出电容充电产生浪涌电流。此时即使输出电流值超出推荐工作范围的最大值，由于内置过流保护(OCP：Over Current Protection)电路将实施电流限制，故不影响正常工作(关于过流保护另文说明)。

但需注意，需要确保该电流所影响的结温TJ不超过150℃。短时过流所影响的结温TJ可通过瞬态热阻ZTH估算。

瞬态热阻是一种具有时间参数的热阻。严格而言，TJ在通电的时间点开始上升(发热)，经过一定时间后趋于稳定。常规热阻θJA，是稳态下的温升(发热量)与功耗的比值;而瞬态热阻则是通电后特定时刻的温升与该时刻功耗的比值。以下是利用瞬态热阻计算TJ的公式，该公式是将含有θJA的计算公式中的θJA替换成ZTH得到的。

TJ=TA+ZTH×P[℃]

TA：环境温度 [℃] ZTH：结点到环境的瞬态热阻 [℃/W] P：IC功耗 [W]

P为IC功耗，可通过下式计算。需注意：该计算公式适用于类似BA1117的无接地引脚的浮动工作类型;对于带接地引脚的类型，公式中的IADJ项需改为IIN-IOUT。有关带接地引脚的类型将另行撰文说明。

P=(VIN–VOUT)×IOUT+(VIN×IADJ)[W]

VIN：输入电压 [V] VOUT：输出电压 [V] IOUT：输出电流 [A] IADJ：ADJ引脚电流 [A]

当IADJ ≪ IOUT时，可通过下式计算。

P=(VIN–VOUT)×IOUT[W]

为演示计算过程，现设定以下条件：在TO252-3封装中，环境温度TA=60℃，1.5A的浪涌电流持续1ms。由右侧图表可知，1ms时的瞬态热阻为2.7℃/W。输入电压VIN=5V，输出电压VOUT=3.3V。将这些数值代入前面给出的结温TJ计算公式进行计算。

TJ=60℃+2.7×(5V–3.3V)×1.5A=66.9℃

因为TJ低于150℃，所以该条件下不存在问题。

由此可知，当浪涌电流持续时间仅1ms左右时，由于芯片温度(TJ)上升幅度很小，浪涌电流引起的温升通常不会构成问题。

线性稳压器的过流保护(OCP)

下面介绍针对前一节提及的过流保护功能。

当IC的输出端对地短路时，用于防止因过电流导致IC损坏的功能即为过流保护电路，其英文缩写为OCP(Over Current Protection)。关于该保护功能，需要理解的重要一点是它是为防止IC损坏而设计的，并非用于保护负载(如受电设备等)、电路及装置。若以保护电路或装置为目的，则需以使用保险丝或其他电流限制器件为前提。

BA1117系列的过流保护特性为如下图所示的下垂特性。A点是过流保护触发点，其对应的输出电流约为1.7A(标准值)。虽然过流保护功能被触发时输出电流下限存在差异，但绝不会低于1A的输出电流保证值。当检测到过流时，限流电路立即动作，使输出电流维持恒定，同时输出电压近乎垂直下降至B点。此后，只要过流状态持续，便会维持此状态。换言之，若输出短路由负载导致，负载无法得到保护。当过流状态解除后，输出电压会自动恢复。

在输出电流超过1A的保证值、但未达到过流保护触发点(标准值1.7A)期间，线性稳压器虽能工作，但电气特性将不受保证(参照技术规格书的规格值保证条件)。此外，无论输出电流大小如何，若持续工作时超过允许损耗(绝对最大额定值1.2W，TO252-3封装)，过热保护电路将启动并关闭输出。

线性稳压器的过热保护(TSD)

与过流保护一样，下面介绍线性稳压器的代表性保护功能——过热保护。

过热保护(TSD：Thermal Shutdown)的作用是，当输出短路或功率损耗增加导致IC芯片温度超过绝对最大额定值时，保护IC免受过热损伤。需特别注意，该保护功能并非用于替代负载和装置的过热保护。

BA1117系列的过热保护电路在检测到芯片温度(结温)超过约155℃(参考值)时，将关断线性稳压器输出并切断电流，以降低芯片温度。当芯片温度降至约150℃(参考值)时，输出重新开启并恢复电流供应。在芯片温度异常升高原因消除前，输出会反复开启和关断。在此状态下，IC虽不会立即损坏，但长期反复动作会导致IC老化甚至损坏，应避免该情况的发生。