線性穩壓器的啟動特性

以下將介紹線性穩壓器電源(VIN)開啟時的啟動特性及關閉時的特性。當線性穩壓器的電源在開啟與關閉時，其工作特性會受VIN的瞬態變化及輸出電容的靜電容量等因素影響而變化。由于這些特性往往會對負載設備產生影響，因此在工作性能評估中，它們是必不可少的檢查項目。

線性穩壓器的啟動特性

下圖為VIN階躍導通時的啟動波形示意圖。當VIN上升時，線性穩壓器的電路隨即啟動。當輸出電容的靜電容量較小(大致為數十μF以下)時，啟動時的浪涌電流通常不會達到觸發輸出過流保護電路的閾值，因此過流保護功能不會啟動，也不會受到電流限制。在這種情況下，輸出電壓不受輸出電容靜電容量的影響，而是由IC內部基準電壓的上升時間決定。

接下來是同樣在VIN階躍導通條件下、但輸出電容靜電容量較大(大概為數百μF以上)時的啟動波形示例。由于啟動時輸出電容充電產生的浪涌電流較大，從而觸發過流保護并導致電流被限制。因此，輸出電容的充電電流會受到限制，而且輸出電容靜電容量越大，啟動(達到設定值)時間就越長。

下表中列出了輸出電容靜電容量與輸出電壓啟動時間的關系。需強調的是，這是BA1117系列的一個示例，實際特性會因線性穩壓器的類型及電路條件而有所不同。核心要點是輸出電容靜電容量越大，啟動時間越長;輸出設定電壓越高，啟動耗時也越長。

最后是當VIN緩慢導通且輸出電容靜電容量較小時的啟動波形示例。在BA1117系列中，當VIN超過約1V時，電路開始工作，輸出電壓隨之開始上升。值得注意的是，即使輸出電容較大時，電路啟動的VIN電壓仍保持不變，此時輸出電壓的上升波形與前文所述“VIN階躍導通且輸出電容值較大時”的情況類似。當VIN緩慢上升時，能夠清晰觀測到VIN達到啟動起始電壓的完整時間過程;而當VIN階躍導通時，由于電壓會瞬間超過該閾值，電路看似呈現無延遲的立即啟動狀態。

線性穩壓器的關斷特性

下圖為VIN階躍關斷時輸出電壓波形的示意圖。當VIN階躍關斷時，由于輸出端輸出電容殘留的電荷作用，輸入-輸出電壓會出現反轉(輸出電壓高于輸入電壓)，此時輸出電容的電荷會通過IC內部寄生元件向輸入側泄放。因此，輸出電壓會隨著輸入電壓的下降而急劇降低，當VIN降至0V時，輸出電壓將維持在寄生元件導通電壓(約0.7V)，下降速度趨于平緩。此后，電壓會以負載電阻的時間常數持續下降。對于純阻性負載，輸出電壓的下降時間可通過下式表示：

CO：輸出電容 [F] RL：負載電阻[Ω] VO：輸出電壓[V] VC：最終下降電壓[V]

下圖為VIN緩慢關斷時的波形示意圖。當VIN電壓下降至輸入-輸出電壓發生反轉的臨界點時，輸出電容電荷會通過IC內部的寄生元件向輸入側泄放。因此，輸出電壓會隨著輸入電壓的下降而同步降低，當VIN降至0V時，輸出電壓會維持寄生元件的導通電壓(約0.7V)，下降速度進一步放緩。此后，電壓將以負載電阻的時間常數持續下降。該過程與VIN階躍關斷時的情形一樣，但由于關斷過程較為平緩，輸出電壓的下降趨勢也相對平緩。

若要求VIN斷開后輸出電壓迅速歸零，則需增設強制泄放輸出電容電荷的放電電路。

線性穩壓器的浪涌電流

無論是否涉及BA1117系列，通常在接入輸入電源且輸出開始建立(啟動)時，會因輸出電容充電產生浪涌電流。此時即使輸出電流值超出推薦工作范圍的最大值，由于內置過流保護(OCP：Over Current Protection)電路將實施電流限制，故不影響正常工作(關于過流保護另文說明)。

但需注意，需要確保該電流所影響的結溫TJ不超過150℃。短時過流所影響的結溫TJ可通過瞬態熱阻ZTH估算。

瞬態熱阻是一種具有時間參數的熱阻。嚴格而言，TJ在通電的時間點開始上升(發熱)，經過一定時間后趨于穩定。常規熱阻θJA，是穩態下的溫升(發熱量)與功耗的比值;而瞬態熱阻則是通電后特定時刻的溫升與該時刻功耗的比值。以下是利用瞬態熱阻計算TJ的公式，該公式是將含有θJA的計算公式中的θJA替換成ZTH得到的。

TJ=TA+ZTH×P[℃]

TA：環境溫度 [℃] ZTH：結點到環境的瞬態熱阻 [℃/W] P：IC功耗 [W]

P為IC功耗，可通過下式計算。需注意：該計算公式適用于類似BA1117的無接地引腳的浮動工作類型;對于帶接地引腳的類型，公式中的IADJ項需改為IIN-IOUT。有關帶接地引腳的類型將另行撰文說明。

P=(VIN–VOUT)×IOUT+(VIN×IADJ)[W]

VIN：輸入電壓 [V] VOUT：輸出電壓 [V] IOUT：輸出電流 [A] IADJ：ADJ引腳電流 [A]

當IADJ ? IOUT時，可通過下式計算。

P=(VIN–VOUT)×IOUT[W]

為演示計算過程，現設定以下條件：在TO252-3封裝中，環境溫度TA=60℃，1.5A的浪涌電流持續1ms。由右側圖表可知，1ms時的瞬態熱阻為2.7℃/W。輸入電壓VIN=5V，輸出電壓VOUT=3.3V。將這些數值代入前面給出的結溫TJ計算公式進行計算。

TJ=60℃+2.7×(5V–3.3V)×1.5A=66.9℃

因為TJ低于150℃，所以該條件下不存在問題。

由此可知，當浪涌電流持續時間僅1ms左右時，由于芯片溫度(TJ)上升幅度很小，浪涌電流引起的溫升通常不會構成問題。

線性穩壓器的過流保護(OCP)

下面介紹針對前一節提及的過流保護功能。

當IC的輸出端對地短路時，用于防止因過電流導致IC損壞的功能即為過流保護電路，其英文縮寫為OCP(Over Current Protection)。關于該保護功能，需要理解的重要一點是它是為防止IC損壞而設計的，并非用于保護負載(如受電設備等)、電路及裝置。若以保護電路或裝置為目的，則需以使用保險絲或其他電流限制器件為前提。

BA1117系列的過流保護特性為如下圖所示的下垂特性。A點是過流保護觸發點，其對應的輸出電流約為1.7A(標準值)。雖然過流保護功能被觸發時輸出電流下限存在差異，但絕不會低于1A的輸出電流保證值。當檢測到過流時，限流電路立即動作，使輸出電流維持恒定，同時輸出電壓近乎垂直下降至B點。此后，只要過流狀態持續，便會維持此狀態。換言之，若輸出短路由負載導致，負載無法得到保護。當過流狀態解除后，輸出電壓會自動恢復。

在輸出電流超過1A的保證值、但未達到過流保護觸發點(標準值1.7A)期間，線性穩壓器雖能工作，但電氣特性將不受保證(參照技術規格書的規格值保證條件)。此外，無論輸出電流大小如何，若持續工作時超過允許損耗(絕對最大額定值1.2W，TO252-3封裝)，過熱保護電路將啟動并關閉輸出。

線性穩壓器的過熱保護(TSD)

與過流保護一樣，下面介紹線性穩壓器的代表性保護功能——過熱保護。

過熱保護(TSD：Thermal Shutdown)的作用是，當輸出短路或功率損耗增加導致IC芯片溫度超過絕對最大額定值時，保護IC免受過熱損傷。需特別注意，該保護功能并非用于替代負載和裝置的過熱保護。

BA1117系列的過熱保護電路在檢測到芯片溫度(結溫)超過約155℃(參考值)時，將關斷線性穩壓器輸出并切斷電流，以降低芯片溫度。當芯片溫度降至約150℃(參考值)時，輸出重新開啟并恢復電流供應。在芯片溫度異常升高原因消除前，輸出會反復開啟和關斷。在此狀態下，IC雖不會立即損壞，但長期反復動作會導致IC老化甚至損壞，應避免該情況的發生。

線性穩壓器的等效電路

最后介紹線性穩壓器的等效電路。

下圖所示為BA1117系列的等效電路。通過等效電路可大致了解各引腳之間的內部連接關系，以及輸出級與輸入級電路的基本結構。盡管實際電路更為復雜，且因IC結構而存在寄生元件等，但等效電路對于理解器件的工作特性與表現具有重要作用。

BA1117作為壓降為1V～1.2V(標準值)的LDO，其特性源于輸出級采用了NPN晶體管與PNP晶體管的達林頓連接結構。此外，通過等效電路也可大致理解過流保護電路和過熱保護電路的工作原理。盡管這部分并非必須研究的內容，但可作為深化理解的參考資料。