线性稳压器的启动特性

2025.07.10

\(\)

以下将介绍线性稳压器电源（\(V_{IN}\)）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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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V_IN电压仍保持不变，此时输出电压的上升波形与前文所述“\(V_{IN}\)阶跃导通且输出电容值较大时”的情况类似。当\(V_{IN}\)缓慢上升时，能够清晰观测到\(V_{IN}\)达到启动起始电压的完整时间过程；而当V_IN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\(V_{IN}\)阶跃关断时输出电压波形的示意图。当\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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：

\(T_{\mathrm{OFF}} = -C_\mathrm{O} \times R_\mathrm{L} \times \ln{\left(\displaystyle \frac{V_\mathrm{C}}{V_\mathrm{O}}\right)} \, \left[\mathrm{s}\right]\)

\(C_O\)：输出电容 [F] \(R_L\)：负载电阻　[Ω] \(V_O\)：输出电压　[V] \(V_C\)：最终下降电压　[V]

下图为\(V_{IN}\)缓慢关断时的波形示意图。当\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(V_{IN}\)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\(T_J\)不超过150℃。短时过流所影响的结温\(T_J\)可通过瞬态热阻\(Z_{TH}\)估算。
瞬态热阻是一种具有时间参数的热阻。严格而言，\(T_J\)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\(θ_{JA}\)，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\(T_J\)的公式，该公式是将含有\(θ_{JA}\)的计算公式中的\(θ_{JA}\)替换成\(Z_{TH}\)得到的。

\(T_J = T_A + Z_{TH} \times P \, \left[{℃}\right]\)

\(T_A\)：环境温度 [℃] \(Z_{TH}\)：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\(I_{ADJ}\)项需改为\(I_{IN}\)－\(I_{OUT}\)。有关带接地引脚的类型将另行撰文说明。

\(P = \left(V_{\mathrm{IN}} – V_{\mathrm{OUT}} \right) \times I_{\mathrm{OUT}} + \left(V_{\mathrm{IN}} \times I_{\mathrm{ADJ}} \right) \, \left[W\right]\)

\(V_{IN}\)：输入电压 [V] \(V_{OUT}\)：输出电压 [V] \(I_{OUT}\)：输出电流 [A] \(I_{ADJ}\)：ADJ引脚电流 [A]

当\(I_{ADJ}\) ≪ \(I_{OUT}\)时，可通过下式计算。

\(P = \left(V_{{IN}} – V_{{OUT}} \right) \times I_{{OUT}} \, \left[W\right]\)

为演示计算过程，现设定以下条件：在TO252-3封装中，环境温度\(T_A\)=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\(V_{IN}\)=5V，输出电压\(V_{OUT}\)=3.3V。将这些数值代入前面给出的结温\(T_J\)计算公式进行计算。

\(T_\mathrm{J} = 60\,\mathrm{℃} + 2.7 \times \left(5\,\mathrm{V} – 3.3\,\mathrm{V}\right) \times 1.5\,\mathrm{A} = 66.9\,\mathrm{℃}\)

因为\(T_J\)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（\(T_J\)）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。