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

出處:廠商供稿 發(fā)布于:2022-10-28 16:31:53

    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)。

    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(gè)與圖1所示電路相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。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)用來給供電的示例:
    ·輸入范圍:8.4V至12.6V。
    ·輸出范圍:1.71V至3.7V。
    ·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(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(duì)于這種應(yīng)用,筆者選用的一個(gè)測試條件是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:

    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(gè)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(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。

    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(gè)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(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。

    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(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。

    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(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:

    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(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:

    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(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的功耗,在具有輸入的短路事件中會(huì)發(fā)生壞的情況??鏡B的電壓等于輸入電壓減去VBE(sat)。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。
關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓器

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