《线性电源设计与应用》课件

线性电源设计与应用课程概述理论与实践并重完整设计流程课程旨在提供线性电源设计的涵盖线性电源原理、设计流程理论与实践知识，从基础原理和测试调试，帮助学员建立完到高级应用全面覆盖整的设计思维目标学员课程内容目录第一部分线性电源基本概念深入理解线性电源的基础理论和工作机制第二部分线性电源分类与原理详细学习各种类型的线性电源及其特点第三部分线性稳压器设计掌握实际的设计方法和器件选择技巧第四部分应用电路设计学习各种实际应用场景的电路设计第五部分测试与调试技巧掌握专业的测试方法和问题排查技能第六部分实际应用案例通过真实案例深化理解和应用能力什么是线性电源？工作原理主要用途利用有源器件的线性特性调节输主要用于低噪声、高精度电路供出电压，将输入电压线性转换为电，在要求严格的应用中表现优稳定输出异独特优势与开关电源相比具有独特优势，特别是在噪声控制和响应速度方面线性电源的基本组成调整管晶体管或MOS管，核心控制元件比较放大器误差检测与放大电路反馈采样输出电压监测电路基准电压源提供稳定基准电压保护电路过流过热保护功能线性电源与开关电源对比线性电源特点开关电源特点线性电源具有低噪声、设计简单、响应速度快的特点在精密模开关电源以高效率、小体积、低发热量著称在大功率应用和便拟电路和音频应用中表现出色，能够提供极其干净的电源供应携设备中具有明显优势，是现代电源技术的主流•转换效率高•输出噪声极低•体积重量小•瞬态响应快•功率密度大•设计相对简单第一部分线性电源基本概念理论基础核心特性12掌握线性电源的基本工作原理了解线性电源的主要优势和特点性能指标应用领域学习重要的技术参数和评估方法认识线性电源的典型应用场景43线性电源工作原理1调整管控制通过调整管调节输出电压，实现精确的电压控制2反馈控制基于反馈控制原理，形成闭环调节系统3线性区工作利用电压差使调整管工作在线性区域4功率损耗多余功率以热量形式损耗，需要散热设计线性电源的优势输出噪声极低线性电源的输出噪声通常小于100μVrms，远低于开关电源，特别适合精密模拟电路和音频应用无高频干扰由于工作在线性区域，不产生高频开关噪声，避免了对敏感电路的电磁干扰响应速度快瞬态响应时间通常在微秒级别，能够快速响应负载变化，保持输出稳定线性电源的局限性效率限制1效率相对较低，理论最大值为输出电压与输入电压的比值发热问题2发热量大，需要良好的散热设计压降影响3降压差大时效率更低，限制了应用范围功率限制4不适合大功率应用，主要用于中小功率场合线性电源的关键指标线性调整率输入电压变化时输出电压的稳定性，通常要求小于

0.1%负载调整率负载电流变化时输出电压的变化率，优质产品可达

0.01%噪声和纹波输出电压的交流成分，低噪声应用要求小于100μVrms电源抑制比PSRR抑制输入噪声的能力，通常用dB表示，越大越好线性电源的常见应用精密模拟电路音频设备医疗设备用于高精度ADC、DAC和运放电路的供为音频放大器和数字音频处理器提供纯净为生命监测设备和精密医疗仪器提供可电，确保测量精度和稳定性电源，提升音质表现靠、低噪声的电源保障第二部分线性电源分类与原理分类体系1按多种维度对线性电源进行分类结构原理2深入理解各种结构的工作机制特性对比3分析不同类型的优缺点和适用场合线性电源的分类按拓扑结构分类按输出特性分类按压降特性分类串联式线性电源是最常见的类型，调整固定式线性电源输出电压预设且不可调标准线性电源需要较大的输入输出压管与负载串联连接并联式线性电源则节，使用方便可调式线性电源可通过差低压差线性稳压器LDO只需很小的将调整元件与负载并联，主要用于基准外部元件调节输出电压，应用更加灵压差即可正常工作，适合电池供电应电压源等特殊应用活用串联式线性电源串联连接阻抗调节调整管与负载串联，形成电流通路通过调整管导通电阻变化实现稳压应用广泛效率计算是最常用的线性电源结构形式效率等于输出电压与输入电压的比值并联式线性电源并联结构调整元件与负载并联连接分流稳压分流电流以稳定输出电压基准应用基准电压源是典型应用特殊场合适用于小电流精密稳压场合标准线性电源压差要求效率特点输入输出压差较大，通常需要大由于压差大，效率相对较低，特于2V才能正常工作，限制了在低别是在输入电压较高时更为明压应用中的使用显设计简单电路结构相对简单，外围元件少，设计和使用都比较方便典型代表是78xx系列稳压器低压差线性稳压器LDO1V85%超低压差更高效率输入输出压差小于1V即可工作在小压差条件下效率可达85%以上3主要类型PNP型、准低压差型、超低压差型的内部结构LDO误差放大器检测输出电压与基准电压的差异并放大功率调整管PMOS或PNP晶体管作为电压调节元件基准电压源提供稳定的基准电压，通常使用带隙基准反馈网络将输出电压按比例反馈到误差放大器保护电路提供过流、过热、反接等保护功能固定式与可调式线性电源固定式线性电源可调式线性电源固定式线性电源的输出电压在制造时就已确定，用户无法调节可调式线性电源允许用户通过外部电阻网络调节输出电压，应用这种设计使用简便，只需连接输入输出即可工作三端固定式稳更加灵活多端可调式稳压器提供了最大的设计自由度，可以实压器是最常用的类型，如

7805、7812等，广泛应用于标准电压现精确的电压调节和多种保护功能需求的场合•输出电压可调•使用简单方便•应用更加灵活•外围元件最少•精度可以更高•成本相对较低第三部分线性稳压器设计设计流程器件选择12系统化的设计方法和步骤关键器件的选型原则和方法热设计电路设计散热设计和温升计算方法周边电路的设计要点和技巧43线性稳压器设计流程需求分析明确电压、电流、精度等技术要求，分析应用环境和约束条件器件选择根据需求选择合适的稳压芯片，考虑性能、成本和供应等因素周边电路设计设计输入输出滤波、反馈网络和保护电路散热设计计算功耗和温升，设计适当的散热方案测试与优化进行全面测试验证，根据结果优化设计选择要点LDO电压范围输入电压范围必须覆盖实际应用的电压变化范围，包括最坏情况输出精度输出电压精度直接影响后级电路性能，精密应用需要±1%以内的精度电流能力最大输出电流必须满足负载需求，并留有适当的余量温度特性考虑工作温度范围内的性能变化，确保稳定工作集成稳压电路应用输入连接典型的三端连接方式输入去耦输入去耦电容C1抑制噪声输出滤波输出去耦电容C2稳定输出保护措施保护二极管D1防止反向电压输入电容选择抑制噪声稳定输入布局位置有效抑制输入端的高频在负载瞬态变化时提供电容应尽可能靠近芯片噪声和纹波，提供稳定瞬时电流，维持输入电的输入引脚放置，减小的输入电压推荐使用压稳定容值通常选择寄生电感的影响，提高陶瓷电容，具有良好的

0.1μF到10μF之间滤波效果高频特性输出电容选择稳定性1ESR值需满足稳定性要求瞬态响应2改善负载瞬态响应特性噪声抑制3抑制输出纹波和噪声容值选择4推荐

2.2μF-47μF范围可调式线性稳压器设计分压网络设计精度考量输出电压通过外部分压电阻网络确定，电阻的选择直接影响输出电阻精度直接影响输出电压精度，精密应用建议使用1%或更高电压精度电阻阻值不宜过大，以免受到噪声干扰精度的电阻还需考虑电阻的温度系数对长期稳定性的影响输出电压计算公式Vout=Vref×1+R1/R2，其中R1为上拉电阻功率额定值的选择需要考虑流过电阻的电流和电压，确保在电阻，R2为下拉电阻最坏工作条件下不超过额定功率效率计算与热设计温升计算实例5V输入电压系统输入电压为5V

3.3V输出电压稳压器输出电压为

3.3V200mA负载电流负载电流为200mA

0.34W功耗计算功耗=5-

3.3×

0.2=

0.34W在25°C环境温度下，假设热阻为

113.5°C/W，温升为

0.34×

113.5=

38.6°C，芯片结温将达到

63.6°C，仍在安全工作范围内这个计算结果表明该设计在热管理方面是可行的散热设计技巧布局优化PCB合理的PCB布局和足够的铜面积能够有效降低热阻，改善散热效果散热焊盘设计使用散热焊盘将热量传导到PCB，通过过孔连接到地平面进一步散热强制风冷在高功耗应用中考虑强制风冷，显著提高散热效果散热器选择根据热阻计算选择合适的散热器，并确保正确安装第四部分应用电路设计基本电路多路输出掌握基础应用电路的设计方法多路输出电源的设计技巧高精度设计噪声抑制精密应用的特殊设计要求高性能噪声抑制技术基本线性稳压电路固定电压输出最简单的应用形式，使用三端稳压器直接输出固定电压，适合标准电压需求可调电压输出通过外部分压网络实现输出电压可调，提供更大的应用灵活性电流限制电路加入电流检测和限制功能，保护电路免受过载损坏多路输出线性电源设计多芯片并联使用多个稳压器芯片实现多路独立输出，每路都有独立的调节和保护负载平衡考虑各路负载的平衡，避免某一路过载影响其他路输出启动顺序设计合理的启动和关断顺序，防止上电冲击和关断时的反灌相互隔离通过适当的滤波和隔离措施避免各路之间的相互干扰线性电源噪声抑制技巧输入滤波器设计LC或RC滤波器抑制输入端噪声输出滤波LC在输出端加入LC滤波进一步降低纹波电容旁路技术合理配置旁路电容抑制高频噪声布局接地优化优化PCB布局和接地设计减少噪声耦合高精度线性电源设计基准源选择反馈网络精度选择高精度基准电压源是实现高精度输出的关键带隙基准具有反馈分压网络的精度直接影响输出精度使用高精度、低温漂电良好的温度稳定性，精度可达

0.1%甚至更高阻，必要时进行温度补偿设计•温度系数小于50ppm/°C•电阻精度≤

0.1%•长期稳定性好•温度系数≤25ppm/°C•噪声低•合理的功率余量电池供电线性电源设计低静态电流LDO选择超低静态电流的LDO，静态电流通常小于10μA，最大化电池续航时间电池特性考虑根据电池类型选择合适的输入电压范围，考虑电池放电曲线和内阻变化电量监测集成电量监测和低电压报警功能，及时提醒用户更换或充电保护设计加入电池反接保护、过放保护等安全措施，确保系统可靠性第五部分测试与调试技巧测试方法1掌握专业的测试方法和设备使用参数测试2关键参数的测试项目和评估标准问题排查3常见问题的识别和解决方法调试技巧4高效的调试技巧和经验总结线性电源测试项目静态参数测试动态参数测试温度特性测试测试输出电压精度、线测试瞬态响应、启动特在不同温度条件下测试性调整率、负载调整率性、纹波噪声等动态性性能变化，确保全温度等基本性能参数，验证能，评估实际应用中的范围内的稳定工作设计指标是否达标表现可靠性测试进行长时间老化测试和应力测试，验证产品的可靠性和寿命线性调整率测试测试条件设置在额定负载条件下，将输入电压在规定范围内变化输入电压变化通常在输入电压的±10%范围内进行测试输出电压测量使用高精度数字万用表测量输出电压变化数据分析评估计算线性调整率ΔVout/ΔVin，典型值为

0.02%/V负载调整率测试负载范围设定从无负载到满负载变化测量点选择在关键负载点进行精确测量电流步进测试按一定步长递增负载电流结果分析典型值小于

0.1%/A瞬态响应测试测试设置关键指标使用电子负载进行阶跃负载测试，负载电流在10%到90%额定测量响应时间、过冲量、下冲量和恢复时间优质线性电源的恢值之间快速切换示波器设置适当的时基和电压档位，捕捉完整复时间应小于50μs，过冲量小于输出电压的5%的瞬态过程瞬态响应性能直接影响后级电路的稳定工作，特别是对于敏感的测试频率通常设置为1kHz，上升沿和下降沿时间小于1μs，确保模拟电路和高速数字电路足够快的负载变化速率纹波与噪声测试测试电路设置使用低噪声探头和同轴电缆，避免外部干扰影响测量结果带宽限制考虑设置适当的测量带宽，通常为10Hz到20MHz，符合标准要求探头测量技巧使用专用的低噪声探头，接地线要短，减少测量回路面积4频谱分析方法典型值应小于50μVrms，优质产品可达10μVrms以下常见问题与排查输出不稳定检查反馈网络连接、输出电容ESR值、热设计是否合理过热保护触发计算功耗和温升，改善散热设计，检查环境温度条件启动异常检查输入电压是否足够、启动电流是否过大、软启动电路振荡问题检查输出电容容值和ESR、反馈回路稳定性、PCB布局第六部分实际应用案例精密仪器2电源MCU高精度测量设备电源1微控制器供电系统设计物联网设备3低功耗无线设备应用混合系统音频设备5开关+线性混合架构高保真音频系统电源4案例电源设计1MCU设计需求器件选型与实现设计目标是为ARM Cortex-M4微控制器提供稳定的选用TI公司的TPS7A20系列低噪声LDO，具有超低噪声

3.3V/200mA电源输入电压为5V USB供电，要求低噪声、快4μVrms和优异的PSRR性能外围只需两个去耦电容即可工速瞬态响应作•输出电压

3.3V±2%实测结果输出精度±

1.5%，纹波6mVp-p，瞬态响应时间35μs，完全满足MCU供电要求•最大电流200mA•输出纹波10mVp-p案例精密仪器电源2需求分析设计±15V/±50mA双路输出电源，为精密运放和ADC供电，要求极低噪声和高稳定性噪声抑制措施采用多级LC滤波，输出噪声降至2μVrms以下，PSRR大于80dB测试验证温度稳定性达到50ppm/°C，长期稳定性优于

0.01%，满足精密测量要求案例低功耗物联网设备

33.0V输出电压为传感器和无线模块供电30mA峰值电流无线传输时的峰值功耗2μA静态电流休眠模式下的超低功耗年2电池寿命单节锂电池续航时间该设计采用德州仪器的TPS7A02超低静态电流LDO，静态电流仅2μA通过优化待机模式设计和电源管理，实现了2年以上的电池续航时间实际功耗测试显示，在典型工作模式下平均功耗仅15μW案例音频设备电源4设计需求为高保真音频放大器设计低噪声±12V/200mA电源，THD+N指标要求小于

0.001%滤波网络设计采用多级RC-LC复合滤波，有效抑制电源噪声对音频信号的影响接地策略优化采用星形接地，模拟地和数字地分离，最大限度减少接地噪声音频性能测试实测THD+N达到

0.0008%，信噪比提升15dB，音质明显改善案例混合电源系统5开关电源前级高效率降压，12V输入降至5V输出后级滤波LDO进一步降噪，5V降至

3.3V精密输出效率性能平衡兼顾效率和噪声性能，最优化设计系统集成效果整体效率75%，输出噪声15μVrms这种混合架构充分发挥了开关电源和线性电源的各自优势前级开关电源实现高效率粗调，后级LDO进行精细调节和噪声滤波实际应用效果表明，系统整体效率达到75%，比纯线性方案提高30%，而输出噪声仅15μVrms，远优于纯开关方案总结与展望关键点回顾技术发展与实践建议线性电源设计的核心是平衡效率、噪声和成本正确的器件选新型线性稳压技术不断发展，超低噪声、超低功耗成为趋势建择、合理的热设计和完善的测试验证是成功设计的关键要素议多进行实际项目练习，结合开关电源技术，在不断实践中提升设计水平•深入理解工作原理•关注新技术发展动态•掌握设计方法和技巧•多做实际项目练习•重视测试和验证•学习优秀设计案例•持续优化和改进•与开关电源融合应用。