教你用分立組件設(shè)計(jì)穩(wěn)健低成本的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】教你用分立組件設(shè)計(jì)穩(wěn)健低成本的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器當(dāng)IC=50mA時(shí)：

直流（DC）電流增益hFE=60；

集電極-發(fā)射極飽和電壓VCEsat=300mV；

基極-發(fā)射極飽和電壓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，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)，反向電壓VZ_min=2.7V。

當(dāng)反向電流IZT=5mA時(shí)，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)，輸出電壓到達(dá)值。當(dāng)1mA≤IZT≤5mA時(shí)，VZ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

為短路事件開展的電流限制

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)果說明，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：

（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)算出壞情況下的RC功耗：

（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，在具有輸入的短路事件中會(huì)發(fā)生壞情況下的功耗。采用方程式6，可計(jì)算出功耗為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7

（7）

當(dāng)滿足以下條件時(shí)，會(huì)發(fā)生壞的情況：

VIN=VIN_max

VO=VO_min

IC=(VIN_max-VO_min)/(2×RC)

因此，Q1的功耗為（VIN_max-VO_min）2/（4×RC）。在本例如中，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的功耗，在具