低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1 引言

穩(wěn)壓電源模塊在電路中使用廣泛，目前流行的如LM78、ASM117系列等，多數(shù)只有3個(gè)引腳，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。通常輸入與輸出之間的壓差大于2 V才能正常工作，但對(duì)較低電壓電池供電的場合。一般增加2 V的供電電源需增加20％～40％(對(duì)應(yīng)輸出3 V或5 V)的成本和體積。用開關(guān)電源原理制作的低壓差模塊(如MAX605)，可在輸入電壓與輸出電壓近乎相等的情況下輸出穩(wěn)定的電壓，但對(duì)測力等電路需電源紋波較小的情況。針對(duì)上述問題。利用分立器件設(shè)計(jì)一種低壓差穩(wěn)壓電源電路。電路器件選用常規(guī)器件，成本低。結(jié)構(gòu)簡單。實(shí)際電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，具有很好的負(fù)載特性和電壓穩(wěn)定性。

2 電路工作原理

圖1為低壓層直流穩(wěn)壓電源電路原理圖。該電路是由基準(zhǔn)電壓、電壓放大和電流放大等3個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，基準(zhǔn)電壓由TL431產(chǎn)生，按圖1中電路連接，當(dāng)通過R0的電流在0．5~10 mA時(shí)可獲得穩(wěn)定的2．5 V基準(zhǔn)輸出。



輸出電壓的具體數(shù)值由運(yùn)算放大器UA確定，采用同相放大器的優(yōu)越性在于其輸入阻抗極大，可很好地將TL431輸出的2．5 V電壓與后級(jí)電路隔離，使其不受負(fù)載變化的影響；運(yùn)放與電阻R3和R2組成比例放大環(huán)節(jié)，可對(duì)基準(zhǔn)電壓按要求進(jìn)行比例放大輸出，但輸出電壓最大不能超過運(yùn)放的電源電壓。

電流放大采用兩個(gè)三極管，UA通過驅(qū)動(dòng)調(diào)整管VQ2控制調(diào)整管VQ1，組成反饋實(shí)現(xiàn)電流放大環(huán)節(jié)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。二極管VD在運(yùn)放UA低壓輸出時(shí)使調(diào)整管VQ2基極一發(fā)射極電壓為負(fù)，使VQ2立即進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電流Ic2迅速降低，VQ2的VCE升高導(dǎo)致VQ1的基極電壓升高，使 VQ1的基極電流IB減少，進(jìn)而減少輸出電流ICQ1(βIB)；反之同理。RL是輸出負(fù)載，C0和C1是濾波電容。

3 電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1 控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

控制環(huán)節(jié)回路等效圖如圖2和圖3所示，其中圖2為比例電壓增益原理圖，圖3為電流放大原理圖。





按照?qǐng)D2和圖3，可得出控制環(huán)節(jié)回路方程：

式中，Irg為運(yùn)放UA的輸出端1的輸出控制電流。

由式(2)可知，Irg通過控制VQ2啦的電流IC2控制VQ1的基極電流，IB1，R8控制調(diào)節(jié)管VQ2，進(jìn)而控制VQ1的輸出電流IC1，VQ2是與 VQ1形成串聯(lián)負(fù)反饋，無需進(jìn)一步放大VQ1的輸出電流IC1，用R8對(duì)IC1分流。電路輸出電壓Vcc為5 V，驅(qū)動(dòng)額定負(fù)載是350 Ω，供電電源是標(biāo)準(zhǔn)7 V輸出的電池。運(yùn)算放大器選LM358，取R1、R2為10 kΩ，TL431電流范圍是100～150 mA，選用R1=3 kΩ，符合要求。VCC=(1+R2/R1)x2．5=5 V。合理選取R8和R9的電阻值，使VQ1和VQ2均工作在線性區(qū)。

3．2 調(diào)整管的選取與靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置

調(diào)整管VQ1和VQ2主要參數(shù)：(1)反向電壓VCEO不小于Vin的2 倍的裕量；(2)最大允許電流ICM，不小于輸出電流I0的2倍的裕量；(3)耗散功率PCM應(yīng)在功率損耗的安全區(qū)內(nèi)；通常為了安全可靠，參數(shù)應(yīng)按照實(shí)際值的幾倍選取。設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)(即確定基極靜態(tài)電流Ih，發(fā)射極電流Ie，集電極一發(fā)射極靜態(tài)電壓Uce)，可以在保證輸出穩(wěn)定精度的同時(shí)使調(diào)整管的損耗最小。合適的靜態(tài)工作點(diǎn)首先要求調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，其次要滿足電網(wǎng)和負(fù)載波動(dòng)情況下，Ib、Ie、Ucc盡量小，以減少損耗。設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)要選擇合適的驅(qū)動(dòng)管VQ1和偏置電阻R8、R9。VQ1的靜態(tài)工作點(diǎn)為：

使用放大倍數(shù)β1、β2在30-80之間的調(diào)整管，放大倍數(shù)較大的調(diào)整管消耗功率較小，但穩(wěn)定性降低，這里選取β為50，設(shè)計(jì)供電電源在5．2～9 V之間波動(dòng)，為了防止電源電壓高時(shí)燒毀調(diào)整管VQ2，加約1 kΩ的電阻R8以限流保護(hù)。



式中，Irg為運(yùn)放的控制輸出信號(hào)，Vin為電源電壓，Vcc為5 V輸出電壓，RL為額定負(fù)載200Ω，VD是二極管導(dǎo)通電壓0．7V。
由式(3)和(4)可以確定VQ2的參數(shù)，然后，計(jì)算電阻R9：

3．3 過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

圖3中，電阻Ri與三極管VQ3組成過流保護(hù)環(huán)節(jié)。輸出電流過大時(shí)，取樣電阻Ri上的電壓大于0．7 V，VQ3導(dǎo)通，迫使調(diào)整管基極電壓Vbe降低，直到關(guān)閉電源輸出。R4=0．7／kIC。其中，LC為輸出電流，K為最大過流系數(shù)，通常取值約1．5。 R7=(Vcc-Uce3)／Ie3≈Vrg/Ic3，限制Ic3不宜過大，以免VQ3過流損壞。

4 試驗(yàn)

圖4為設(shè)計(jì)的一個(gè)直流穩(wěn)壓電源模塊，輸入電源為直流5～9 V的蓄電池組；分別對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行電源特性和負(fù)載特性試驗(yàn)，其中負(fù)載特性試驗(yàn)以輸入的6．5 V蓄電池模擬實(shí)際使用工作環(huán)境。圖5為其試驗(yàn)記錄結(jié)果。輸出紋波試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)電源輸入電壓為5-11 V，輸出紋波為5～8 mV。





5 結(jié)束語

通過分析與試驗(yàn)可看出，該直流電源穩(wěn)壓模塊具有穩(wěn)壓精度高、負(fù)載特性好等特點(diǎn)，且電路簡單，另外可利用接口P0監(jiān)測實(shí)際電源，此電路已投入生產(chǎn)，通過實(shí)踐檢驗(yàn)該電路設(shè)計(jì)性能可靠，耗電少，可很好滿足單電源供電應(yīng)用情況。