電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：低成本高效益解決方案是這樣煉成的！

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(duì)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(duì)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)。

圖1：簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器

有兩個(gè)與圖1所示電路相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是要調(diào)節(jié)輸出電壓，第二個(gè)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(jì)穩(wěn)健的線性穩(wěn)壓器。

下面是一個(gè)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(gè)好主意。當(dāng)涉及到功耗時(shí)，擁有這種靈活性將會(huì)簡化以后的設(shè)計(jì)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(shí)：

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(duì)于這種應(yīng)用，筆者選用的一個(gè)測(cè)試條件是IZT = 1mA，并選擇了一個(gè)具有以下特性的齊納二極管：

當(dāng)Vo_min = 1.71V且VBE_max= 0.95V時(shí)，Vz_min應(yīng)大于2.65V。

當(dāng)反向電流IZT = 1mA時(shí)，最低反向電壓VZ_min = 2.7V。

當(dāng)反向電流IZT = 5mA時(shí)，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(jì)算出RB的值。筆者使用了一個(gè)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(gè)具有4.22kΩ標(biāo)準(zhǔn)值的電阻器。

添加一個(gè)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(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值。當(dāng)1mA ≤ IZT ≤ 5mA時(shí)，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(gè)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(shí)，VBE(on) 大于0.3V。

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(jì)算出該虛擬電阻：

(4)

筆者將一個(gè)36kΩ的電阻器添加到了該電路，如圖3所示。

圖3：具有虛擬負(fù)載電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器

為短路事件進(jìn)行的電流限制

圖3所示電路的輸出對(duì)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。

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(duì)該功耗的封裝。

為了限制短路電流，筆者添加了一個(gè)電阻器RC(從VIN到晶體管Q1的集電極)，如圖5所示。

圖5：具有限流電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器

電阻器RC將會(huì)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(jì)算出RC的值：

圖6

(5)

VCE_Test是圖1中所用的集電極-發(fā)射極電壓。筆者為RC選擇了一個(gè)5%容差的電阻器。采用方程式5，RC應(yīng)小于271Ω。使用這個(gè)估計(jì)值，在短路事件中方程式6可計(jì)算出最壞情況下的RC功耗：

圖7

(6)

該功耗約為0.56W。筆者選擇了一個(gè)1W、270Ω的功率電阻器。對(duì)于RC短路功耗更高的應(yīng)用，您可把多個(gè)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(huì)發(fā)生最壞情況下的功耗。采用方程式6，可計(jì)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(huì)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：

(7)

當(dāng)滿足下列條件時(shí)，會(huì)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(huì)發(fā)生最壞的情況?？鏡B的電壓等于輸入電壓減去VBE(sat)。最大功耗估計(jì)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(jì)準(zhǔn)則。

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