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用分立組件設(shè)計穩(wěn)健的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器

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用分立組件設(shè)計穩(wěn)健的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器

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)。
用分立組件設(shè)計穩(wěn)健的串聯(lián)線性穩(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。本文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
最大負載電流:Io_max = 20mA

1.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:
① 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。
② 集電極最大允許電流應(yīng)超過最大負載電流Io_max。
除了這兩項基本要求之外,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。

2.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):

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。

3.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可估算出運行所需的最大基極電流:
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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。
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故此,RB應(yīng)小于4.26kΩ。筆者使用了一個具有4.22kΩ標(biāo)準值的電阻器。

4.添加一個輸出調(diào)節(jié)的虛擬負載電阻
當(dāng)負載電流為零時,輸出電壓達到最大值。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載電阻器,以便在無負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。

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:
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筆者將一個36kΩ的電阻器添加到了該電路,如圖3所示。
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圖3:具有虛擬負載電阻器的串聯(lián)穩(wěn)壓器

5.為短路事件進行的電流限制
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PSPICE仿真結(jié)果表明,集電極電流可高達190mA,見圖4。
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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。
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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:

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5%容差的電阻器。采用方程式5,RC應(yīng)小于271Ω。使用這個估計值,在短路事件中方程式6可計算出最壞情況下的RC功耗:

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。

6.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,因為有限流電阻器RC,所以在短路事件中不會發(fā)生最壞情況下的功耗。在正常運行期間Q1的功耗是集電極電流的函數(shù),如方程式7所示:

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??鏡B的電壓等于輸入電壓減去VBE(sat)。最大功耗估計為38mW。


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| 發(fā)布時間:2018.06.16    來源:電源適配器廠家
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