用分立组件设计稳健低成本的串联线性稳压器Word文档下载推荐.docx

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下面是一个用来给微控制器供电的示例：

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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：

（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：

（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：

图7

（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。