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用分立组件设计稳健的串联线性稳压器

发布者:太阳集团tcy8722-太阳集团tcy8722厂    发布时间:2019-12-12
用分立组件设计稳健的串联线性稳压器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)。

有两个与图1所示电路相关的设计挑战。******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。本文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
******负载电流:Io_max = 20mA

1.双极型NPN晶体管的选择
NPN双极型晶体管Q1是***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:
① 集电极至发射极和基极至发射极的击穿电压应超过******输入电压Vin_max。
② 集电极******允许电流应超过******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:
(DC)电流增益hFE = 60;
集电极-发射极******饱和电压VCEsat = 300mV;
基极-发射极******饱和电压VBEsat = 950mV。

2.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,******反向齐纳电压应符合下述要求(方程式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,******反向电压VZ_min = 2.7V。
当反向电流IZT = 5mA时,******反向电压VZ_max = 3.8V。

3.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******基极电流:

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。

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。

4.添加一个输出调节的虚拟负载电阻
当负载电流为零时,输出电压达到******值。当1mA ≤ IZT ≤ 5mA时,VZ******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:

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

5.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:

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***坏情况下的RC功耗:

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。

6.组件应力分析
就电阻器RC而言,在具有******输入的短路事件中会发生***坏情况下的功耗。采用方程式6,可计算出******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***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:

当满足下列条件时,会发生***坏的情况:
VIN = VIN_max
VO = VO_min
IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)
因此,Q1的******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******功耗,在具有******输入的短路事件中会发生***坏的情况。跨RB的电压等于输入电压减去VBE(sat)。******功耗估计为38mW。


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