0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

如何用分立组件设计稳健的串联线性稳压器

电子设计 来源:网友电子设计发布 作者:网友电子设计发布 2021-11-24 14:52 次阅读

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。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。

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):

pYYBAGGKZYOAACBGAAAJuZX_0zM961.png

(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:

poYBAGGKZYWAeYcZAAAPiFmutK8180.png

(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。

pYYBAGGKZYeAZXlZAAA50yYGAiY966.png

(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。

pYYBAGGKZYuAfJL_AADMIJh6kB0181.png

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:

poYBAGGKZY2Aao89AAAQm2fA304044.png

(4)

笔者将一个36kΩ的电阻器添加到了该电路,如图3所示。

pYYBAGGKZY-AcfriAABI8GPEQAE206.png

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。

poYBAGGKZZKABxE6AAAcxv8lWqo125.png

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。

pYYBAGGKZZSAEJXAAABOPF1l-T4375.png

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:

pYYBAGGKZZeAZy_oAAA0r7CuT4A043.png

(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:

pYYBAGGKZZmAD6VRAAAUMkqgOF4799.png

(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:

poYBAGGKZZuAJIbMAAAcWXuWR28959.png

(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。该设计过程证明,来自德州仪器(TI)的集成式线性稳压器可提供更佳的输出调节功能以及完善的过电压、短路和过温保护功能。

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/22/power-tips-how-to-design-a-robust-series-linear-regulator-with-discrete-components

编辑:jq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 串联
    +关注

    关注

    6

    文章

    424

    浏览量

    37559
  • 电流
    +关注

    关注

    40

    文章

    6850

    浏览量

    132116
  • 电源管理
    +关注

    关注

    115

    文章

    6180

    浏览量

    144453
  • 线性稳压器
    +关注

    关注

    5

    文章

    768

    浏览量

    66636
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    航天级100krad–2.5V分立式负LDO线性稳压器电路

    电子发烧友网站提供《航天级100krad–2.5V分立式负LDO线性稳压器电路.pdf》资料免费下载
    发表于 09-20 10:02 0次下载
    航天级100krad–2.5V<b class='flag-5'>分立</b>式负LDO<b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>电路

    LDO稳压器串联稳压器的区别

    LDO稳压器(Low-Dropout Regulator)和串联稳压器在电子领域中都是常见的稳压器件,它们各自具有独特的特点和应用场景。
    的头像 发表于 09-11 11:41 535次阅读

    什么是开关稳压器线性稳压器

    开关稳压器线性稳压器是两种常见的电源稳压技术,它们在电子设备中扮演着至关重要的角色,用于确保供电电压的稳定性和可靠性。以下是对这两种稳压器
    的头像 发表于 09-02 14:44 583次阅读

    ldo与普通线性稳压器的区别

    LDO(Low Dropout Regulator)是一种低噪声、低功耗、低纹波的线性稳压器,广泛应用于各种电子设备中。与普通线性稳压器相比,LDO具有许多优点,但也存在一些局限性。本
    的头像 发表于 07-14 10:05 1129次阅读

    开关稳压器线性稳压器的区别

    在电子设备中,稳压器是一个至关重要的组件,它负责确保电路中的电压保持稳定,从而保障设备的正常运行。在稳压器的分类中,开关稳压器线性
    的头像 发表于 05-31 17:33 1489次阅读

    Parksonx XC6206系列线性稳压器概述

    Parksonx XC6206系列线性稳压器概述
    的头像 发表于 05-30 13:28 925次阅读
    Parksonx XC6206系列<b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>概述

    线性稳压器的优点和缺点有哪些

    线性稳压器的核心特点是使用了一个调节元件(如晶体管),该元件可以线性地变化其阻抗以维持稳定的输出电压。线性稳压器具有以下优点和缺点:
    的头像 发表于 02-25 16:02 1184次阅读
    <b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>的优点和缺点有哪些

    线性稳压器的关键规格有哪些

    线性稳压器的重要规格涵盖了多个参数,这些参数决定了稳压器的性能和应用范围。以下是线性稳压器的一些关键规格: 1. 输出电压:输出电压是
    的头像 发表于 02-25 15:44 946次阅读

    线性稳压器的分类介绍

    线性稳压器是一种电源管理集成电路,用于将输入电压稳定在恒定的输出电压。 线性稳压器根据输出电压的正负性可以分为正电压用和负电压用两大类。负电压用的线
    的头像 发表于 02-25 15:00 791次阅读
    <b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>的分类介绍

    低压差线性稳压器电路图分享

    低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,简称LDO)是一种特殊的稳压器,它的主要特点是在输入电压与输出电压之间的压差很小时,仍然能够保持输出电压的稳定。与传统的线性
    的头像 发表于 02-06 15:48 7581次阅读
    低压差<b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>电路图分享

    线性稳压器的分类及特点

    线性稳压器是电源管理中的关键组件,它们通过连续调整其内部通过元件(如晶体管)的电流来输出恒定电压。线性稳压器可以按照不同的标准进行分类,以下
    的头像 发表于 02-04 10:37 793次阅读

    线性稳压器工作原理介绍

    功率来实现的。 线性稳压器是电子设备中的关键组件,它们的基本功能是将不稳定的输入直流电压(DC)转换为恒定的输出直流电压。在结构上,线性稳压器
    的头像 发表于 02-04 10:27 1253次阅读
    <b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>工作原理介绍

    电源IC线性稳压器和开关稳压器优缺点介绍

    电源IC是电子设备中不可或缺的组成部分,它们负责提供稳定的电压供应,确保设备中的其他电子部件能够在最佳状态下运行。在众多类型的电源IC中,线性稳压器和开关稳压器是两种最常见且重要的类别。 线性
    的头像 发表于 02-04 10:18 1008次阅读
    电源IC<b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>和开关<b class='flag-5'>稳压器</b>优缺点介绍

    LDO线性稳压器电路图讲解

    LDO线性稳压器电路图讲解
    的头像 发表于 01-19 10:26 779次阅读
    LDO<b class='flag-5'>线性</b><b class='flag-5'>稳压器</b>电路图讲解

    线性稳压器的特点及应用

    线性稳压器的特点及应用  线性稳压器是一种常见的电子元件,用于稳定直流电压。它通过将不稳定的输入电压转换为稳定的输出电压,以供给电路中其他电子元件使用。
    的头像 发表于 01-04 14:30 756次阅读