將非常高的電壓 (>200V) 調(diào)節(jié)到現(xiàn)代電子設(shè)備可以使用的電壓 (例如 3.3 V) 是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)于需要超過(guò) 1-2 mA 電流的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員會(huì)避免使用簡(jiǎn)單的電阻/齊納二極管組合，而選擇更復(fù)雜的解決方案。在保持低成本電路的同時(shí)管理功耗也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。圖1中的電路 是一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本調(diào)節(jié)器，可在輸出電流為 5 mA 時(shí)實(shí)現(xiàn)高降壓比，同時(shí)將成本降至最低。

　　圖1
　　使用少量低成本組件構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的高壓線性穩(wěn)壓器。
　　在本文中，我們介紹了滿足寬輸入電壓范圍要求所需的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算和權(quán)衡。我們?yōu)槭纠€(wěn)壓器選擇了以下設(shè)計(jì)參數(shù)：
　　輸入電壓（最大值） = 250V
　　輸出電壓 = 3.3V
　　我輸出 = 5毫安
　　T A(MAX) = 60 o C（最高環(huán)境溫度）
　　管理功耗
　　管理設(shè)計(jì)熱能是原型首次通過(guò)功能的關(guān)鍵。最大化輸入電壓范圍需要仔細(xì)選擇元件。　　傳輸晶體管的功率耗散將限制輸出電流。公式 1 計(jì)算了傳輸晶體管功率耗散與最大電流的關(guān)系：

　　構(gòu)建高壓線性穩(wěn)壓器
　　當(dāng)晶體管連接到一塊 1 盎司銅（用作散熱器）且尺寸為 15 x 15 毫米時(shí)，所選晶體管 (FCX458) 的 Θ JA指定為 125 o C/W。給定這些參數(shù)，當(dāng)輸出電流為 2.92 mA 時(shí)，晶體管將達(dá)到 150 o C的最大結(jié)溫。將連接到晶體管的銅增加到 50 x 50 毫米，可將 Θ JA降低 至 60 o C/W，并產(chǎn)生 6.08 mA 的最大輸出電流。這完全符合 5 mA 的設(shè)計(jì)規(guī)格。　　當(dāng)輸入電壓達(dá)到峰值時(shí)，分流電阻 R SH的功率耗散也將達(dá)到最大值。公式 2 根據(jù)最大電阻功率耗散計(jì)算最小 R SH電阻值：

　　構(gòu)建高壓線性穩(wěn)壓器　　將電阻器中耗散的功率限制為 350 mW，可產(chǎn)生 174 k Ω 的分流電阻，這是標(biāo)準(zhǔn)能源信息管理局 (EIA) 1% 電阻值。電路中耗散的大部分功率發(fā)生在分流電阻器 R SH或傳輸晶體管 Q P中。表 1 總結(jié)了最小和最大設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的功率耗散。

　
　　根據(jù)電路的工作點(diǎn)，功率耗散在分流電阻器和傳輸晶體管之間發(fā)生變化。
　　一般而言，當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，功率損耗最小。當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，電阻器中的功率損耗最大。當(dāng)輸出電流和輸入電壓最大時(shí)，晶體管中的功率損耗最大。
　　優(yōu)化最小輸入電壓
　　您可以通過(guò)選擇具有高 beta 值 β 的晶體管和具有低最小陰極電流 IK (MIN) 的分流穩(wěn)壓器來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最寬的輸入電源范圍。分流穩(wěn)壓器的幾個(gè)常見(jiàn)選擇包括TL431和TLV431。這些器件的 IK (MIN)值分別為 1 mA 和 80 ?A。改進(jìn)的ATL431將最小陰極電流降低至 40 ?A。公式 3 計(jì)算最小輸入電壓與最小陰極電流的關(guān)系：
　　構(gòu)建高壓線性穩(wěn)壓器　　通過(guò)選擇合適的 TL431 器件來(lái)降低 I K(MIN) 并增加晶體管的 β 值，在最大化輸入電壓范圍方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。圖 2 繪制了最小輸入電壓與 β 的關(guān)系。將 TLV431 器件的最小調(diào)節(jié)電流降低 50% 可同樣放寬傳輸晶體管 β 值要求?；蛘?，您可以保持 β 值并獲得額外的輸入電壓范圍。如果沒(méi)有合適的組件來(lái)滿足目標(biāo)輸入電壓范圍，則增加分流電阻器中耗散的功率將降低最小輸入電壓，但設(shè)計(jì)中會(huì)耗散更多熱量。

　　圖 2
　　最小輸入電壓隨分流調(diào)節(jié)器最小工作電流而變化。改進(jìn)后的 ATL431 將晶體管 beta 要求降低了近 50%。
　　最小輸入電壓隨分流調(diào)節(jié)器最小工作電流而變化。改進(jìn)后的 ATL431 將晶體管 beta 要求降低了近 50%。
　　測(cè)試電路
　　測(cè)試高壓電路時(shí)，務(wù)必注意采取適當(dāng)?shù)陌踩A(yù)防措施。高壓可能很危險(xiǎn)，您需要小心謹(jǐn)慎地對(duì)待它們。如果您不熟悉適當(dāng)?shù)陌踩A(yù)防措施，請(qǐng)?jiān)诖蜷_(kāi)電源之前尋求知情幫助?！　y(cè)試電路取得了良好的結(jié)果。為了防止調(diào)節(jié)電壓振蕩，需要一個(gè)輸出電容。圖 1中的電路顯示電容為 10 F，但我們能夠以低至 4.7 ?F 的電容實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性?？蛰d至滿載瞬態(tài)響應(yīng)也在容差范圍內(nèi)。圖 3中的示波器捕獲 （跡線編號(hào) 2）顯示瞬態(tài)事件期間的紋波約為 200 mV。同樣重要的是，該電路設(shè)計(jì)為可在 ATL431 的半導(dǎo)體工藝極限范圍內(nèi)正常工作。由于典型 I K(MIN) 遠(yuǎn)低于最大值，因此測(cè)得的最小輸入電壓遠(yuǎn)低于計(jì)算值。

　　圖 3
　　在 200V 輸入（黃色軌跡）的情況下，輸出電壓（藍(lán)色軌跡）在觸發(fā)輸出（紫色軌跡）之后開(kāi)始的滿量程 0-5 mA 上升負(fù)載瞬變期間保持穩(wěn)定。
　　在 200V 輸入（黃色軌跡）的情況下，輸出電壓（藍(lán)色軌跡）在觸發(fā)輸出（紫色軌跡）之后開(kāi)始的滿量程 0-5 mA 上升負(fù)載瞬變期間保持穩(wěn)定。