电源小贴士：教你用分立组件设计稳健低成本的串联线性稳压器.doc

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1、电源小贴士：教你用分立组件设计稳健低成本的串联线性稳压器　　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）。　　　　图1：简单的串联稳压器。　　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1

2、2.6V。　　·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

3、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

4、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4.2

5、2kΩ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：

6、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

7、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：　　　　　

8、　　（7）　　当满足下列条件时，会发生最坏的情况：　　VIN=VIN_max　　VO=VO_min　　IC=