串聯穩壓器或有時稱為串聯調節器是最常用的電路設計方法，用于在線性穩壓電源中提供最終電壓調節。

串聯線性穩壓器提供了高水平的性能，特別是當穩壓輸出需要低噪聲、紋波和瞬變時，電路通常相對容易設計。

有多種使用分立電子元件的線性穩壓器電路，這些元件通過串聯傳輸元件提供調節 - 串聯傳輸技術是電源裝置中使用最廣泛的技術。

這意味著在進行電源的電子電路設計時，串聯穩壓器有很多選擇。

可以在電路設計中使用許多穩壓器 IC 或芯片之一。這些 IC 應用廣泛，價格也相當便宜，是許多線性穩壓器電路的理想選擇。

串聯穩壓電路基礎知識

串聯穩壓器或串聯導通穩壓器使用與負載串聯放置的可變元件。通過改變串聯元件的電阻，它兩端的壓降可以發生變化，以確保負載兩端的電壓保持恒定。

串聯穩壓器的優點是，消耗的電流量實際上是負載使用的電流量，盡管有些電流會被與穩壓器相關的任何電路消耗。

與并聯穩壓器不同，即使負載不需要任何電流，串聯穩壓器也不會消耗全部電流。因此，串聯穩壓器的效率要高得多。

它不是汲取負載不需要的電流來維持電壓，而是降低輸入電壓與所需穩定電壓之間的電壓差。

為了保持足夠的調節水平和抑制可能出現在輸入電壓上的噪聲和瞬變，串聯線性穩壓器需要降低一個顯著的電壓。

許多高質量、低噪聲和紋波穩壓器需要在串聯穩壓器元件上施加幾伏電壓。這意味著該組件會耗散大量功率，串聯調整器器件以及整個電源都需要良好的散熱和散熱能力。

盡管串聯穩壓器的效率比并聯穩壓器高得多，但它的效率卻比開關模式電源低得多。

串聯穩壓器和使用它們的任何線性電源的效率將取決于負載等因素，但通常能達到低于 50% 的效率水平，而開關模式電源可以達到高于 90% 的水平。

與開關模式電源相比，串聯穩壓器的效率水平相對較低，但它們具有簡單的優點，而且它們的輸出沒有某些開關模式電源上出現的開關尖峰，盡管 SMPS 正在改進并且性能現在很多都特別好。

簡單的射極跟隨器穩壓器

簡單晶體管射極跟隨器穩壓器的電子電路設計非常簡單。該電路本身并未廣泛用于線性電源，但可用于其他設備以從更高的電壓軌提供降壓等。

該電路使用射極跟隨器配置形式的單通晶體管，以及由未穩壓電源的電阻器驅動的單個齊納二極管或其他穩壓二極管。

這提供了一種簡單形式的反饋系統，以確保在輸出端保持齊納電壓，盡管電壓降低等于基極發射極結電壓——硅晶體管為 0.6 伏。

像這樣設計串聯旁路穩壓器電路是一件簡單的事情。知道負載所需的最大電流，就可以計算出最大發射極電流。這是通過將負載電流（即晶體管發射極電流）除以晶體管的β或hfe來實現的。

齊納二極管通常至少需要 10mA 左右的電流才能使小型齊納二極管保持其穩定電壓。然后應根據未穩壓電壓、齊納電壓和所需電流的知識計算電阻器以提供基極驅動電流和最小齊納電流。[（未穩壓電壓 - 齊納電壓）/電流]。

值得注意的是，應該給電流加上一個小的余量，以確保負載時有足夠的余量，從而使晶體管基極承受全電流。

齊納二極管的功率耗散能力應在負載電流為零的情況下計算，因此基極電流為零。在這種情況下，齊納二極管需要承受串聯電阻器通過的全部電流。

有時，可能會在齊納二極管或電壓參考二極管兩端放置一個電容器，以幫助消除噪聲和可能發生的任何電壓瞬變。

輸出采樣

簡單的射極跟隨器串聯穩壓電路直接將輸出與電壓基準進行比較。這樣，輸出電壓等于參考電壓，忽略了基極發射極壓降。

然而，可以通過對輸出電壓的一部分進行采樣并將其與參考電壓進行比較來提高穩壓器的性能。

像運算放大器這樣的差分放大器可以用于此功能。如果這樣做，則輸出電壓將變得大于參考電壓，因為電路中的負反饋會努力使兩個比較電壓保持相同。

例如，如果參考電壓為 5 伏，采樣或分壓器提供 50% 的輸出電壓，則輸出電壓將保持在 10 伏。

可以使分壓或采樣可變，這樣就可以將輸出電壓調整到需要的值。通常這種方法只用于小的調整，因為通過這種方法獲得的最小輸出電平是等于參考電壓的輸出。

應該記住，使用分壓器會降低反饋環路增益。這會降低環路增益，從而降低調節性能。通常有足夠的環路增益，這不會成為主要問題，除非只有很小一部分輸出被采樣。

還應注意不要將輸出電壓增加到穩壓器兩端壓降不足以充分調節輸出電壓的程度。

帶反饋的串聯調節器

為了提供比簡單射極跟隨器更高的性能水平，可以在電壓調節器電路中添加更復雜的反饋網絡。這是通過對輸出進行采樣，將其與參考進行比較，然后使用某種形式的差分放大器反饋差異以糾正誤差來實現的。

可以將簡單的兩個晶體管電路用于具有電壓檢測和反饋功能的串聯調節器。雖然使用運算放大器非常簡單，它將提供更高水平的反饋，從而提供更好的調節，但這個雙晶體管電路很好地說明了原理。

在該電路中，TR1 構成串聯傳輸晶體管。第二個晶體管 TR2 用作差分放大器，在參考二極管和檢測到的輸出電壓之間提供誤差電壓，該輸出電壓與電位器設置的輸出電壓成比例。電阻器 R1 為 TR2 的集電極和電壓基準二極管 ZD1 提供電流。

參考電壓

任何線性穩壓器都只能與用作系統內比較基礎的電壓基準一樣好。

雖然理論上可以使用電池，但這對于大多數應用來說并不令人滿意。相反，基于齊納二極管的參考幾乎被普遍使用。

集成電路穩壓器和參考使用復雜的晶體管和電阻片上組合來獲得溫度補償和精確的電壓參考源。

電壓基準必須由未穩壓電源驅動。由于存在啟動問題，因此不能從穩壓輸出中獲取。啟動時沒有輸出，因此參考輸出將為零，并且會一直保持到參考啟動。

有趣的是，可以看到基本齊納二極管類型的基本電壓基準是并聯穩壓器，而不是串聯穩壓器。然而，此電壓參考隨后用于驅動串聯穩壓器電路。

參考源的輸出通常通過分壓器饋送。這不僅降低了通常非常有用的輸出電壓，而且還允許在輸出端添加一個電容器，以幫助消除可能存在的任何紋波或噪聲。降低的電壓也很有用，因為最小電壓輸出由參考電壓決定。

集成電路線性穩壓器

有很多優秀的集成電路可以很容易地設計串聯穩壓器。它們中的許多已經存在了好幾年，因此它們隨處可見而且非常便宜。

著名的 78xx 系列、LM317、LM340 系列等集成電路提供了一種非常簡單的方法來創建簡單但非常好的線性穩壓器。

這些特殊電路是三端穩壓器，一個用于輸入，一個用于輸出，一個公共端接地或連接到電阻網絡以提供電壓反饋。

? 74xx 系列和 LM340 系列穩壓器電路

78xx 系列穩壓器非常有名，已經面市多年。它們有多種電壓可供選擇，“xx”被替換為所需的電壓。

這些穩壓器是簡單的三端器件，但除了電壓調節之外，它們還具有大量集成功能：內部限流、熱關斷和安全區域補償，使它們幾乎堅不可摧。

該穩壓器電路非常簡單，使用的電子元件很少。

這是用于任何 7800 系列穩壓器的基本電路。它非常成功，除了顯示的基本操作之外不需要額外的組件。

LM340 系列實際上與 78xx 系列相同，只是它們的規格稍高，輸出電壓的公差更小。

? LM317 穩壓電路

LM317 穩壓器 IC 是一款可調節的 3 端正穩壓器，可用于電路設計，可在 1.2 V 至 37 V 的輸出電壓范圍內提供超過 1.5 A 的電流。

這假定輸入電壓使得輸入和輸出之間可以獲得足夠的電壓降，以便在所需的輸出電壓下提供足夠的調節。

LM317 提供了基本的電子元件來創建一個非常簡單但有效的可變電壓調節器電路設計。設計非常簡單，需要兩個外部電阻器來設置輸出電壓。

除此之外，該 IC 還集成了內部限流、熱關斷和安全區域補償功能，使其非常可靠且幾乎難以損壞。

鑒于可以使用兩個外部電阻來設置輸出電壓的方式，可以將穩壓電路設計成具有可編程輸出穩壓器或在調節和輸出之間連接一個固定電阻，LM317可以用作精密電流調節器。

低壓差串聯穩壓器

任何穩壓器的考慮因素之一是必須放置在串聯調整元件上的電壓。對于線性穩壓器，通常需要在串聯傳輸元件上有一個顯著的壓降，以實現最佳調節和噪聲抑制。例如，輸出為 12 伏的線性穩壓器可能設計為具有 18 伏或更高的輸入電壓。

對于任何線性穩壓器，在穩壓器“退出”之前，串聯元件上都需要一個最小電壓。在許多線性穩壓器集成電路中都可以看到這種壓降。

在某些電路中，具有低壓差穩壓器很重要。如果可用的輸入電壓不是特別高，則使用低壓差線性穩壓器可能很重要。它需要很好地調節，盡管它兩端的電壓有限。

穩壓器電路設計的提示和技巧

可以遵循一些有用的提示和技巧，以幫助確保線性穩壓器的設計符合預期。

器件耗散： 串聯穩壓器可以散發大量熱量。因此，有必要確保串聯穩壓器裝置能夠處理功率，除此之外，它還具有足夠的散熱能力，無論這可以如何布置。

還必須確保整個電源的溫升不會因散熱而升高，因為這可能會影響可靠性。如果電解電容器在炎熱的環境中運行，它們的性能尤其會下降得更快。

串聯穩壓器壓降是否足夠： 為了實現良好的調節，穩壓器晶體管、FET 或 IC 上必須有足夠的壓降。電壓調節器 IC 的數據表中將引用最小壓降。

輸入是否充分去耦： 在某些情況下，穩壓器 IC 的導線長度可能較長，建議在輸入到地之間使用一個小的去耦電容器。如果不這樣做，IC 會振蕩。

輸出端是否有足夠的電容： 為了改善穩壓器的瞬態響應，可以在輸出端放置一個電容器。這通常可能是 0.1μF 到 1μF 的數量級，具體取決于電路。如果穩壓器 IC 用作穩壓器電路的基礎，則數據表中會建議最佳值。

走線和導線是否足夠電流： 在印刷電路板中使用小走線非常方便，以確保所有電子元件和鏈接電路都可以包含在電路板上。但是，在可能會遇到較高電流水平的情況下，必須確保任何軌道都可以承載電流，而不會耗散過多的熱量或降低電壓。

如果使用普通布線，情況也是如此 - 細線會以與印刷電路板上的 think tracks 相同的方式降低電壓。

輸入電路和平滑電路能否提供足夠的電流： 在線性穩壓器電路本身之前，平滑電路提供了整個電源的基本要素。這必須能夠提供所需的電流，而電壓不會下降得太低。隨著更多電流的消耗，紋波也會增加。

必須始終確保最小電壓始終足以運行穩壓器 - 有時紋波中的波谷可能會低于穩壓器令人滿意運行的最小值。在設計穩壓電路時必須考慮這些因素。

是否包含電流限制： 電流限制是現代穩壓器電路的基本要素，如果可能，應該包含一個。大多數穩壓器 IC 都包含電流限制，但使用分立元件的電路需要在設計中加入此功能。

具有限流能力將防止電源本身損壞，如果發生短路或其他過載情況，也可以防止被驅動的負載損壞。

是否包含過壓保護： 在某些情況下，穩壓器可能會發生故障，并且穩壓器的全輸入電壓可能會施加在負載上。這可能會損壞被驅動的電路。具有過電壓保護可以避免對被供電的電子電路造成重大損壞。

這些只是設計或構建電源線性穩壓器電路時需要考慮的一些設計預防措施。它們通常很容易克服，它們可以作為設計清單，甚至可以添加到其中。

雖然此處顯示的電路是簡單的晶體管電路，但在更大的電路和集成電路中也使用相同的原理。相同系列的傳遞穩壓器概念以及參考二極管電路、采樣和其他區域都使用相同的元件。

此處使用的概念實際上用于線性穩壓電源，它可以提供非常好的性能水平。線性穩壓電源比開關模式電源更大更重，但它們以低噪聲和良好的輸出調節而著稱，沒有某些開關模式電源所具有的尖峰。

審核編輯黃宇