怎么通过设计相应的稳压二极管电路实现LDO电源

一般来讲二极管都是正向导通，反向截止；在家二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要被击穿损毁。

但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊，当反向电压加到一定程度时，只要管子处在击穿状态，稳压二极管两端的电压却变化极小，起到了稳压作用，这就是稳压二极管的基本功能。

在工程应用中，稳压二极管可以吸收瞬变的高压（钳位电压）也可以设计成稳压电源，下面就通过稳压二极管来设计基本的稳压电路。

图10 稳压二极管基本稳压电路

如图10中所示，这是稳压二极管应用的基本的稳压电路，其中R1是分压电阻（这个电阻是一定要有的，如果没有这个电阻输入电源VCC会受到稳压二极管D1的影响），D1是稳压二极管（此处D1的符号不是稳压二极管的符号），Rload是外界变化的负载，那么怎么根据外界负载来分析以及设计R1和D1呢？

首先，我们需要了解的是稳压二极管在没有接负载的特性，如下图所示：

图11 稳压二极管不接负载电路图

其中R1是分压电阻，D1是稳压二极管。而R1阻值需要根据稳压二极管的特性进行选型，我们知道稳压二极管与二极管的特性是相似的，二极管也具有稳压作用，但是两种管子的内部的掺杂情况不一致，通用的二极管处于反向击穿时电压不是稳定的，但是稳压二极管由于内部特殊的掺杂可以使得在反向击穿的情况下对外电压处于稳定的情况，所以才被应用。如下图是稳压管的伏安特性曲线：

图12 稳压管的伏安特性曲线

从图中可知，反向电压从零接近A点电压时，反向电流非常小，因此可以说稳压二极管反向电压在A点之前时是不导电区，加上非常小电流并且一定电压也会呈现“稳压”特性，但是稳压二极管不是处于正常工作状态，所以在设计时要考虑流过稳压管的电流不能低于最小工作电流；在反向电压超过A点电压时，反向电流迅速增加而电压变化很小，这个区间称为稳压二极管的齐纳击穿区，在A和B阶段的稳压二极管处于正常工作状态。

下图是蓝箭电子的BZT52C型号的稳压二极管的电性能参数：

图13 BZT52C型号稳压二极管电气参数

如图13所示，Vz表示稳定电压，例如BZT52C2V4这款稳压管，在Zener Voltage Range这一栏显示正常稳压在2.4V，但是波动范围在2.2V~2.6V，所以稳压二极管只适用于精度不是很高的稳压场合，而Izt表示稳压管正常工作2.4V工作的电流；在Maximum Zener impedance 这一栏中Zzt@Izt表示稳压管正常工作时内部动态电阻为100Ω，而Zzk@Izk表示正常工作和不正常工作的拐点动态电阻，同时在设计时流过稳压管最低电流不能低于Izk这个数值，否则稳压管不正常工作，在图12中可能工作在A点以前的电压范围了；在Maximum ReverseCurrent这一栏中表示稳压管反向电压1V时，反向流过的电流数值，这个是必然存在的和工艺有关；在Typical Tenperature Coefficient 这一栏表示稳压管稳压值与温度的关系，图中只显示了稳压管的负温度系数但是，稳压管温度系数和稳压值有关的：（模电中总结）

二极管的反向击穿主要分为齐纳击穿和雪崩击穿，对于稳压二极管来说：

稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿）；

稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿）；

稳定电压在4~7V之间的管子，温度系数非常校，近似为零（雪崩和齐纳）。

图14 稳压管动态电阻

如图14表示二极管的齐纳阻抗变化曲线，也可称为动态电阻Rz，它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，即这个数值随工作电流的不同而改变，通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好，但是稳压管消耗的功率就比较大，增加了系统功耗：

好了，通过上面的描述，基本已经认识了稳压管了，反过来继续看图11稳压二极管不接负载电路图，把稳压管化为带动态电阻的形式如下：

图15 稳压管不带不负载等效图

如果取图13中BZT52C3V3稳压管，那么怎么配置合适的R1可以是其正常工作，并且波动电压在多少？

图13中BZT52C3V3稳压管Izt=5mA,Vz=3.3V,Zzt@Izt=95Ω，如果VCC=5V，那么R1可以根据Izt求得如下：

动态电阻Rr上分压为：

也就是最后输出电压可能在（3.3V-0.475V）~（3.3V+0.475V）之间波动，仔细计算的话，还是发现稳压管稳压的精度实在太低了，所以不能用于精确的电源，比如ADC的参考电源。

同时计算此时稳压管上的功率为：

而BZT52C3V3的功率是500mW,所以稳压管的功耗是可以接受的，但是稳压管毕竟后面是要带负载的，那么带负载后又是什么情况呢？

首先，我们需要明确的是外界负载需求的电压U是多少，然后根据电压U选择稳压值相近的稳压二极管，将图10中的稳压管同样等效后如下所示：

图16 等效稳压管基本稳压电路

同样的，稳压管采用BZT52C3V3型号，外界Rload为单片机，并且正常工作下单片机消耗50mA的电流，内部程序设置好休眠功耗很低可以忽略不计，此时消耗电流视为0mA的电流，单片机供电电压为3.3V所以需要采用BZT52C3V3稳压管Izt=5mA,Vz=3.3V,Zzt@Izt=95Ω，设定VCC=5V，那么R1上最少要流过的电流I3为：

那么可以根据I3求得R1的最大值为：

也就是R1在选型情况下，最高阻值只能为31Ω，这里选择30Ω，但是应该选择怎么封装的电阻呢？封装与阻值和功率都有关，此时求得电阻产生的功率为：

算得在R1=30Ω时，消耗的功率接近0.1w了，所以选择0603（1/10W）以上的封装的电阻，如果选择0603那么R1可能会发烫，这点值得注意，但是发烫问题也不大，电阻就是为了发烫的，没必要惊讶。

同理计算稳压管中动态电阻的压降：

也就是最后输出电压可能在（3.3V-0.475V）~（3.3V+0.475V）之间波动，所以用作3.3V供电给单片机是不太稳定的，单片机一般不会直接采用稳压管进行稳压。

那么问题来了，单片机要是进入休眠状态，此时外界负载为无穷大，55mA电流全部流进稳压管，此时稳压管顶的住？此时稳压电路可以等效为如下：

图17 等效稳压管稳压电路负载无穷大

那么计算稳压管此时功率为：

此时稳压管功率达到181.5mW，此时查看稳压管datasheet极限参数如下：

图18 稳压管极限参数

在Power Dissipation 这一栏可以知道BZT52C3V3稳压管的功率为500mW，而500mW远大于181.5mW，所以极限情况下，稳压管还是顶得住的，但是要是负载是其他的，并且达到200mA,那么此时消耗的功率：

那么660mW>500mW,此时稳压管是处于发热或者烧坏的状态的，还是很危险的，像现在给单片机供电一般才有LDO芯片，基本可以带500mA的负载，所以最后的结论是：稳压管做的稳压电路只适用于精度不高、低负载的场合。

此时主题都掌握的差不多了，可以试试自个分析一道题，如下所示，尝试假设负载条件、电源情况，求电阻R怎么选型、三极管Q怎么选型、三极管处于什么状态、稳压管怎么选型，最后负载稳压是多少？等等

图19 稳压管组成的LDO电源电路