教你用分立組件設(shè)計(jì)穩(wěn)健低成本的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器

有些應(yīng)用需要寬松的輸出調(diào)節(jié)功能以及不到20mA的電流。對(duì)這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，采用分立組件打造的線性穩(wěn)壓器是一種低成本高效益的解決方案(圖1)。而對(duì)于具有嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)功能并需要更大電流的應(yīng)用，則可使用高性能的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。

圖1：簡(jiǎn)單的串聯(lián)穩(wěn)壓器。

有兩個(gè)與圖1所示電路相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是要調(diào)節(jié)輸出電壓，第二個(gè)挑戰(zhàn)是要在短路事件中安然無(wú)恙。在這篇文章中，筆者將討論如何用分立組件設(shè)計(jì)穩(wěn)健的線性穩(wěn)壓器。

下面是一個(gè)用來(lái)給微控制器供電的示例：

·輸入范圍：8.4V至12.6V。

·輸出范圍：1.71V至3.7V。

·最大負(fù)載電流：Io_max = 20mA。

雙極型NPN晶體管的選擇

NPN雙極型晶體管Q1是最重要的組件。筆者首先選擇了這種器件。該晶體管應(yīng)符合下列要求：

·集電極至發(fā)射極和基極至發(fā)射極的擊穿電壓應(yīng)超過(guò)最高輸入電壓Vin_max。

·集電極最大允許電流應(yīng)超過(guò)最大負(fù)載電流Io_max。

除了這兩項(xiàng)基本要求之外，使用具有備選封裝的組件也是一個(gè)好主意。當(dāng)涉及到功耗時(shí)，擁有這種靈活性將會(huì)簡(jiǎn)化以后的設(shè)計(jì)過(guò)程。筆者為這種應(yīng)用選擇了具有備選封裝和不同額定功率的NPN晶體管。

下面是筆者所用NPN晶體管的關(guān)鍵特性。

當(dāng)IC = 50mA時(shí)：

直流(DC)電流增益hFE = 60;

集電極-發(fā)射極最高飽和電壓VCEsat = 300mV;

基極-發(fā)射極最高飽和電壓VBEsat = 950mV。

齊納二極管Dz的選擇

輸出電壓等于反向齊納電壓VZ減去該晶體管基極至發(fā)射極電壓VBE。因此，最低反向齊納電壓應(yīng)符合下述要求(方程式1)：

(1)

對(duì)于這種應(yīng)用，筆者選用的一個(gè)測(cè)試條件是IZT = 1mA，并選擇了一個(gè)具有以下特性的齊納二極管：

當(dāng)Vo_min = 1.71V且VBE_max= 0.95V時(shí)，Vz_min應(yīng)大于2.65V。

當(dāng)反向電流IZT = 1mA時(shí)，最低反向電壓VZ_min = 2.7V。

當(dāng)反向電流IZT = 5mA時(shí)，最高反向電壓VZ_max = 3.8V。

基極上拉電阻器RB

電阻器RB可為齊納二極管和晶體管基極提供電流。在運(yùn)行條件下，它應(yīng)提供足夠的電流。齊納二極管反向電流IZ應(yīng)大于1mA，正如筆者在齊納二極管Dz的選擇部分所討論的。方程式2可估算出運(yùn)行所需的最大基極電流：

(2)

其中Hfe_min = 60。因此，IB_max ≈ 0.333mA。

方程式3可計(jì)算出RB的值。筆者使用了一個(gè)具有1%容差的電阻器。

(3)

故此，RB應(yīng)小于4.26kΩ。筆者使用了一個(gè)具有4.22kΩ標(biāo)準(zhǔn)值的電阻器。

添加一個(gè)用于輸出調(diào)節(jié)的虛擬負(fù)載電阻器

當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值。當(dāng)1mA ≤ IZT ≤ 5mA時(shí)，VZ最大值為3.8。VBE(on)應(yīng)大于0.1V，這樣該穩(wěn)壓器的輸出就能符合要求。此外，筆者還添加了一個(gè)虛擬負(fù)載電阻器，以便在無(wú)負(fù)載條件下汲取集電極電流。

圖2顯示，VBE(on)可作為集電極電流IC的函數(shù)。當(dāng)IC = 0.1mA時(shí)，VBE(on) 大于0.3V。

圖2：基極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓與集電極電流

方程式4可計(jì)算出該虛擬電阻：

(4)