草丁图书馆

  1. 首页 > 生活百科 >

电源设计经验：低成本高效益解决方案是这样炼成的！




有些应用需要宽松的输出调节功能以及不到20mA的电流 。对这样的应用来说 ， 采用分立组件打造的线性稳压器是一种低成本高效益的解决方案(图1) 。而对于具有严格的输出调节功能并需要更大电流的应用 ， 则可使用高性能的低压差线性稳压器(LDO) 。


图1：简单的串联稳压器


有两个与图1所示电路相关的设计挑战 。第一个挑战是要调节输出电压 ， 第二个挑战是要在短路事件中安然无恙 。在这篇文章中 ， 笔者将讨论如何用分立组件设计稳健的线性稳压器 。


下面是一个用来给微控制器供电的示例：
输入范围：8.4V至12.6V 。
输出范围：1.71V至3.7V 。
最大负载电流：Io_max = 20mA 。
双极型NPN晶体管的选择


NPN双极型晶体管Q1是最重要的组件 。笔者首先选择了这种器件 。该晶体管应符合下列要求：


集电极至发射极和基极至发射极的击穿电压应超过最高输入电压Vin_max 。
集电极最大允许电流应超过最大负载电流Io_max 。
除了这两项基本要求之外 ， 使用具有备选封装的组件也是一个好主意 。当涉及到功耗时 ， 拥有这种灵活性将会简化以后的设计过程 。笔者为这种应用选择了具有备选封装和不同额定功率的NPN晶体管 。


下面是笔者所用NPN晶体管的关键特性 。
当IC = 50mA时：
直流(DC)电流增益hFE = 60;
集电极-发射极最高饱和电压VCEsat = 300mV;
基极-发射极最高饱和电压VBEsat = 950mV 。
齐纳二极管Dz的选择
输出电压等于反向齐纳电压VZ减去该晶体管基极至发射极电压VBE 。因此 ， 最低反向齐纳电压应符合下述要求(方程式1)：




(1)
对于这种应用 ， 笔者选用的一个测试条件是IZT = 1mA ， 并选择了一个具有以下特性的齐纳二极管：


当Vo_min = 1.71V且VBE_max= 0.95V时 ， Vz_min应大于2.65V 。
当反向电流IZT = 1mA时 ， 最低反向电压VZ_min = 2.7V 。
当反向电流IZT = 5mA时 ， 最高反向电压VZ_max = 3.8V 。


基极上拉电阻器RB


电阻器RB可为齐纳二极管和晶体管基极提供电流 。在运行条件下 ， 它应提供足够的电流 。齐纳二极管反向电流IZ应大于1mA ， 正如笔者在“齐纳二极管Dz的选择”部分所讨论的 。方程式2可估算出运行所需的最大基极电流：




(2)
其中Hfe_min = 60 。因此 ， IB_max ≈ 0.333mA 。
方程式3可计算出RB的值 。笔者使用了一个具有1%容差的电阻器 。




(3)
故此 ， RB应小于4.26kΩ 。笔者使用了一个具有4.22kΩ标准值的电阻器 。
添加一个用于输出调节的虚拟负载电阻器


当负载电流为零时 ， 输出电压达到最大值 。当1mA ≤ IZT ≤ 5mA时 ， VZ最大值为3.8 。VBE(on)应大于0.1V ， 这样该稳压器的输出就能符合要求 。此外 ， 笔者还添加了一个虚拟负载电阻器 ， 以便在无负载条件下汲取集电极电流 。
图2显示 ， VBE(on)可作为集电极电流IC的函数 。当IC = 0.1mA时 ， VBE(on) 大于0.3V 。




图2：基极-发射极导通电压与集电极电流
方程式4可计算出该虚拟电阻：




(4)
笔者将一个36kΩ的电阻器添加到了该电路 ， 如图3所示 。




图3：具有虚拟负载电阻器的串联稳压器
为短路事件进行的电流限制
图3所示电路的输出对地短路将产生较大的集电极电流 。一项PSPICE仿真结果表明 ， 集电极电流可高达190mA ， 见图4 。




图4：短路仿真结果
晶体管Q1的功耗是2.4W 。没有能应对该功耗的封装 。
为了限制短路电流 ， 笔者添加了一个电阻器RC(从VIN到晶体管Q1的集电极) ， 如图5所示 。




图5：具有限流电阻器的串联稳压器
电阻器RC将会满足输出调节要求 ， 并能在短路事件中耗散功率 。笔者可计算出RC的值：


图6


(5)
VCE_Test是图1中所用的集电极-发射极电压 。笔者为RC选择了一个5%容差的电阻器 。采用方程式5 ， RC应小于271Ω 。使用这个估计值 ， 在短路事件中方程式6可计算出最坏情况下的RC功耗：


图7


(6)
该功耗约为0.56W 。笔者选择了一个1W、270Ω的功率电阻器 。对于RC短路功耗更高的应用 ， 您可把多个电阻器串联以分担功耗 。
组件应力分析
就电阻器RC而言 ， 在具有最大输入的短路事件中会发生最坏情况下的功耗 。采用方程式6 ， 可计算出最大功耗为0.59W 。
就晶体管Q1而言 ， 因为有限流电阻器RC ， 所以在短路事件中不会发生最坏情况下的功耗 。在正常运行期间Q1的功耗是集电极电流的函数 ， 如方程式7所示：




(7)
当满足下列条件时 ， 会发生最坏的情况：
VIN = VIN_max
VO = VO_min
IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)
因此 ， Q1的最大功耗为(VIN_max – VO_min)2/(4×RC) 。在本示例中 ， 它是110mW 。笔者选择了一种额定功率为350mW、采用SOT23封装的小外形晶体管 。


至于RB的最大功耗 ， 在具有最大输入的短路事件中会发生最坏的情况 。跨RB的电压等于输入电压减去VBE(sat) 。最大功耗估计为38mW 。


在这篇文章中 ， 笔者描述了具有分立组件的稳健低成本线性稳压器的设计准则 。

-END-

（免责声明：整理本文出于传播相关技术知识 ， 版权归原作者所有 。）

【电源设计经验：低成本高效益解决方案是这样炼成的！】免责声明：本文内容由21ic获得授权后发布 ， 版权归原作者所有 ， 本平台仅提供信息存储服务 。文章仅代表作者个人观点 ， 不代表本平台立场 ， 如有问题 ， 请联系我们 ， 谢谢！

    推荐阅读


    上一篇：电磁屏蔽有三种，你都知道该怎么做吗？

    下一篇：深度解析：开局一张图，分析全靠经验！