圖1：簡單的串聯穩壓器。

 

有兩個與圖1所suo示shi電dian路lu相xiang關guan的de設she計ji挑tiao戰zhan。第di一yi個ge挑tiao戰zhan是shi要yao調tiao節jie輸shu出chu電dian壓ya，第di二er個ge挑tiao戰zhan是shi要yao在zai短duan路lu事shi件jian中zhong安an然ran無wu恙yang。在zai這zhe篇pian文wen章zhang中zhong

，筆bi者zhe將jiang討tao論lun如ru何he用yong分fen立li組zu件jian設she計ji穩wen健jian的de線xian性xing穩wen壓ya器qi。

 

下麵是一個用來給微控製器供電的示例：

 

·輸入範圍：8.4V至12.6V。

 

·輸出範圍：1.71V至3.7V。

 

·最大負載電流：Io_max = 20mA。

 

 

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。該晶體管應符合下列要求：

 

·集電極至發射極和基極至發射極的擊穿電壓應超過最高輸入電壓Vin_max。

 

·集電極最大允許電流應超過最大負載電流Io_max。

 

除chu了le這zhe兩liang項xiang基ji本ben要yao求qiu之zhi外wai，使shi用yong具ju有you備bei選xuan封feng裝zhuang的de組zu件jian也ye是shi一yi個ge好hao主zhu意yi。當dang涉she及ji到dao功gong耗hao時shi，擁yong有you這zhe種zhong靈ling活huo性xing將jiang會hui簡jian化hua以yi後hou的de設she計ji過guo程cheng。筆bi者zhe為wei這zhe種zhong應ying用yong選xuan擇ze了le具ju有you備bei選xuan封feng裝zhuang和he不bu同tong額e定ding功gong率lv的deNPN晶體管。

 

下麵是筆者所用NPN晶體管的關鍵特性。

 

當IC = 50mA時：

 

直流（DC）電流增益hFE = 60
；

 

集電極-發射極最高飽和電壓VCEsat = 300mV；

 

基極-發射極最高飽和電壓VBEsat = 950mV。

 

 

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

 

（1）

 

對於這種應用
，筆者選用的一個測試條件是IZT = 1mA，並選擇了一個具有以下特性的齊納二極管：

 

當Vo_min = 1.71V且VBE_max= 0.95V時
，Vz_min應大於2.65V。

 

當反向電流IZT = 1mA時
，最低反向電壓VZ_min = 2.7V。

 

當反向電流IZT = 5mA時，最高反向電壓VZ_max = 3.8V。

 

 

電阻器RB可為齊納二極管和晶體管基極提供電流。在運行條件下，它應提供足夠的電流。齊納二極管反向電流IZ應大於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可計算出RB的值。筆者使用了一個具有1％容差的電阻器。

 

（3）

 

故此，RB應小於4.26kΩ。筆者使用了一個具有4.22kΩ標準值的電阻器。

 

添加一個用於輸出調節的虛擬負載電阻器

 

當負載電流為零時
，輸出電壓達到最大值。當1mA ≤ IZT ≤ 5mA時，VZ最大值為3.8。VBE(on)應大於0.1V，這樣該穩壓器的輸出就能符合要求。此外，筆者還添加了一個虛擬負載電阻器
，以便在無負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。當IC = 0.1mA時，VBE(on) 大於0.3V。

 

圖2：基極-發射極導通電壓與集電極電流

 

方程式4可計算出該虛擬電阻：

 

（4）

 

筆者將一個36kΩ的電阻器添加到了該電路，如圖3所示。

 

圖3：具有虛擬負載電阻器的串聯穩壓器

 

 

圖3所示電路的輸出對地短路將產生較大的集電極電流。一項PSPICE仿真結果表明
，集電極電流可高達190mA
，見圖4。

 

圖4：短路仿真結果

 

晶體管Q1的功耗是2.4W。沒有能應對該功耗的封裝。

 

為了限製短路電流
，筆者添加了一個電阻器RC（從VIN到晶體管Q1的集電極），如圖5所示。

 

圖5：具有限流電阻器的串聯穩壓器

 

電阻器RC將會滿足輸出調節要求，並能在短路事件中耗散功率。筆者可計算出RC的值：

 

（5）

 

VCE_Test是圖1中所用的集電極-發射極電壓。筆者為RC選擇了一個5％容差的電阻器。采用方程式5
，RC應小於271Ω。使用這個估計值
，在短路事件中方程式6可計算出最壞情況下的RC功耗：

 

（6）

 

該功耗約為0.56W。筆者選擇了一個1W、270Ω的功率電阻器。對於RC短路功耗更高的應用，您可把多個電阻器串聯以分擔功耗。

 

 

就電阻器RC而言，在具有最大輸入的短路事件中會發生最壞情況下的功耗。采用方程式6
，可計算出最大功耗為0.59W。

 

就晶體管Q1而言，因為有限流電阻器RC，所以在短路事件中不會發生最壞情況下的功耗。在正常運行期間Q1的功耗是集電極電流的函數，如方程式7所示：

 

（7）

 

當滿足下列條件時
，會發生最壞的情況：

 

VIN = VIN_max

 

VO = VO_min

 

IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)

 

因此，Q1的最大功耗為（VIN_max – VO_min）2/（4×RC）。在本示例中，它是110mW。筆者選擇了一種額定功率為350mW
、采用SOT23封裝的小外形晶體管。

 

至於RB的最大功耗，在具有最大輸入的短路事件中會發生最壞的情況。跨RB的電壓等於輸入電壓減去VBE(sat)。最大功耗估計為38mW。

 

在這篇文章中，筆者描述了具有分立組件的穩健低成本線性穩壓器的設計準則。

 

 

【推薦閱讀】