分立組件穩(wěn)健低成本線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯分立組件穩(wěn)健低成本線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-設(shè)計(jì)應(yīng)用有些應(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）。

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(jì)挑戰(zhàn)。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(jì)穩(wěn)健的線性穩(wěn)壓器。下面是一個用來給供電的示例：·輸入范圍：8.4V至12.6V?！ぽ敵龇秶?.71V至3.7V?！へ?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)超過輸入電壓Vin_max。·集電極允許電流應(yīng)超過負(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(shí)，擁有這種靈活性將會簡化以后的設(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）：

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（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(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?；鶚O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：

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（2）其中Hfe_min=60。因此，IB_max≈0.333mA。方程式3可計(jì)算出RB的值。筆者使用了一個具有1％容差的電阻器。

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（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。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(shí)，輸出電壓達(dá)到值。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。

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：

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（4）筆者將一個36kΩ的電阻器添加到了該電路，如圖3所示。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

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。

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。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

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(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(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：

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（6）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，在具有輸入的短路事件中會發(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：

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

圖7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（7）當(dāng)滿足下列條件時(shí)，會發(fā)生壞的情況：

VIN=VIN_maxVO=VO_minIC=(VIN_max-VO_min)/(2×RC)因此，Q1的功耗為（VIN_max-VO_min）2/（4×RC）。在本示例中，它是110mW。