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【電源小貼士2】教你用分立組件設(shè)計低成本串聯(lián)線性穩(wěn)壓器

發(fā)布時間:2015-10-20 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】有些應(yīng)用需要寬松的輸出調(diào)節(jié)功能以及不到20mA的電流。對這樣的應(yīng)用來說,采用分立組件打造的線性穩(wěn)壓器是一種低成本高效益的解決方案,在這篇文章中,筆者描述了具有分立組件的穩(wěn)健低成本線性穩(wěn)壓器的設(shè)計準(zhǔn)則。
 
有些應(yīng)用需要寬松的輸出調(diào)節(jié)功能以及不到20mA的電流。對這樣的應(yīng)用來說,采用分立組件打造的線性穩(wěn)壓器是一種低成本高效益的解決方案(圖1)。而對于具有嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)功能并需要更大電流的應(yīng)用,則可使用高性能的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。
簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器。
圖1:簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器。
 
有兩個與圖1所示電路相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。第一個挑戰(zhàn)是要調(diào)節(jié)輸出電壓,第二個挑戰(zhàn)是要在短路事件中安然無恙。在這篇文章中,筆者將討論如何用分立組件設(shè)計穩(wěn)健的線性穩(wěn)壓器。
 
下面是一個用來給微控制器供電的示例:
 
·輸入范圍:8.4V至12.6V。
 
·輸出范圍:1.71V至3.7V。
 
·最大負(fù)載電流:Io_max = 20mA。
 
雙極型NPN晶體管的選擇
 
NPN雙極型晶體管Q1是最重要的組件。筆者首先選擇了這種器件。該晶體管應(yīng)符合下列要求:
 
·集電極至發(fā)射極和基極至發(fā)射極的擊穿電壓應(yīng)超過最高輸入電壓Vin_max。
 
·集電極最大允許電流應(yīng)超過最大負(fù)載電流Io_max。
 
除了這兩項(xiàng)基本要求之外,使用具有備選封裝的組件也是一個好主意。當(dāng)涉及到功耗時,擁有這種靈活性將會簡化以后的設(shè)計過程。筆者為這種應(yīng)用選擇了具有備選封裝和不同額定功率的NPN晶體管。
 
下面是筆者所用NPN晶體管的關(guān)鍵特性。
 
當(dāng)IC = 50mA時:
 
直流(DC)電流增益hFE = 60;
 
集電極-發(fā)射極最高飽和電壓VCEsat = 300mV;
 
基極-發(fā)射極最高飽和電壓VBEsat = 950mV。
 
齊納二極管Dz的選擇
 
輸出電壓等于反向齊納電壓VZ減去該晶體管基極至發(fā)射極電壓VBE。因此,最低反向齊納電壓應(yīng)符合下述要求(方程式1):
(1)
 
對于這種應(yīng)用,筆者選用的一個測試條件是IZT = 1mA,并選擇了一個具有以下特性的齊納二極管:
 
當(dāng)Vo_min = 1.71V且VBE_max= 0.95V時,Vz_min應(yīng)大于2.65V。
 
當(dāng)反向電流IZT = 1mA時,最低反向電壓VZ_min = 2.7V。
 
當(dāng)反向電流IZT = 5mA時,最高反向電壓VZ_max = 3.8V。
 
基極上拉電阻器RB
 
電阻器RB可為齊納二極管和晶體管基極提供電流。在運(yùn)行條件下,它應(yīng)提供足夠的電流。齊納二極管反向電流IZ應(yīng)大于1mA,正如筆者在“齊納二極管Dz的選擇”部分所討論的。方程式2可估算出運(yùn)行所需的最大基極電流:
(2)
 
其中Hfe_min = 60。因此,IB_max ≈ 0.333mA。
 
方程式3可計算出RB的值。筆者使用了一個具有1%容差的電阻器。
(3)
 
故此,RB應(yīng)小于4.26kΩ。筆者使用了一個具有4.22kΩ標(biāo)準(zhǔn)值的電阻器。
[page]
添加一個用于輸出調(diào)節(jié)的虛擬負(fù)載電阻器
 
當(dāng)負(fù)載電流為零時,輸出電壓達(dá)到最大值。當(dāng)1mA ≤ IZT ≤ 5mA時,VZ最大值為3.8。VBE(on)應(yīng)大于0.1V,這樣該穩(wěn)壓器的輸出就能符合要求。此外,筆者還添加了一個虛擬負(fù)載電阻器,以便在無負(fù)載條件下汲取集電極電流。
 
圖2顯示,VBE(on)可作為集電極電流IC的函數(shù)。當(dāng)IC = 0.1mA時,VBE(on) 大于0.3V。
極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓與集電極電流
圖2:基極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓與集電極電流
 
方程式4可計算出該虛擬電阻:
(4)
 
筆者將一個36kΩ的電阻器添加到了該電路,如圖3所示。
7具有虛擬負(fù)載電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器
圖3:具有虛擬負(fù)載電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器
 
[page]
為短路事件進(jìn)行的電流限制
 
圖3所示電路的輸出對地短路將產(chǎn)生較大的集電極電流。一項(xiàng)PSPICE仿真結(jié)果表明,集電極電流可高達(dá)190mA,見圖4。
8短路仿真結(jié)果
圖4:短路仿真結(jié)果
 
晶體管Q1的功耗是2.4W。沒有能應(yīng)對該功耗的封裝。
 
為了限制短路電流,筆者添加了一個電阻器RC(從VIN到晶體管Q1的集電極),如圖5所示。
具有限流電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器
圖5:具有限流電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器
 
電阻器RC將會滿足輸出調(diào)節(jié)要求,并能在短路事件中耗散功率。筆者可計算出RC的值:
該功耗約為0.56W。筆者選擇了一個1W、270Ω的功率電阻器。對于RC短路功耗更高的應(yīng)用,您可把多個電阻器串聯(lián)以分擔(dān)功耗。
 
組件應(yīng)力分析
 
就電阻器RC而言,在具有最大輸入的短路事件中會發(fā)生最壞情況下的功耗。采用方程式6,可計算出最大功耗為0.59W。
 
就晶體管Q1而言,因?yàn)橛邢蘖麟娮杵鱎C,所以在短路事件中不會發(fā)生最壞情況下的功耗。在正常運(yùn)行期間Q1的功耗是集電極電流的函數(shù),如方程式7所示:
圖12
 
(7)
 
當(dāng)滿足下列條件時,會發(fā)生最壞的情況:
 
VIN = VIN_max
 
VO = VO_min
 
IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)
 
因此,Q1的最大功耗為(VIN_max – VO_min)2/(4×RC)。在本示例中,它是110mW。筆者選擇了一種額定功率為350mW、采用SOT23封裝的小外形晶體管。
 
至于RB的最大功耗,在具有最大輸入的短路事件中會發(fā)生最壞的情況。跨RB的電壓等于輸入電壓減去VBE(sat)。最大功耗估計為38mW。
 
在這篇文章中,筆者描述了具有分立組件的穩(wěn)健低成本線性穩(wěn)壓器的設(shè)計準(zhǔn)則。
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