低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器的使用技巧

l 提高LD0輸入電壓的方法
    當(dāng)輸入電壓超過(guò)現(xiàn)有LDO的最高輸入電壓時(shí)，可在LD0的輸入端增加一個(gè)“前置調(diào)節(jié)器”(Preregulator)，以滿(mǎn)足高壓輸入的條件。利用前置穩(wěn)壓器提高LDO輸入電壓的電路如圖1所示。電路中采用一片由美國(guó)Micrel公司生產(chǎn)的MIC29150一12型低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，其最高輸入電壓為+26V，輸出為+12V／1A。前置穩(wěn)壓器由達(dá)林頓管VT，電阻R1和R2、25V／200mW的穩(wěn)壓管VDz構(gòu)成。達(dá)林頓管的電流放大系數(shù)約為1000倍即可。R1為穩(wěn)壓管的限流電阻，R1、R2還作為達(dá)林頓管的基極偏置電阻。前置穩(wěn)壓器屬于粗調(diào)穩(wěn)壓器，后級(jí)LDO為細(xì)調(diào)穩(wěn)壓器，二者組成復(fù)合式穩(wěn)壓器。其作用是將外部輸入電壓降低到+26V以下，使之低于MIC29150一12的最高輸入電壓值。該電路對(duì)前置調(diào)節(jié)器的精度指標(biāo)以及對(duì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)要求并不高，因?yàn)檫@些指標(biāo)可由后級(jí)LDO來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    選擇R1和R2的參數(shù)表如表1所列。UI(min)、UI(max)分別為輸入電壓的最小值和最大值。當(dāng)UI(max)<40V時(shí)，可省去R2；當(dāng)UI(max)>40V時(shí)必須增加R2，通過(guò)R2進(jìn)行散熱。前置穩(wěn)壓器也承擔(dān)一部分功率損耗。需要注意的是該復(fù)合式穩(wěn)壓器對(duì)最低輸入電壓也是有限制的，其輸出電壓必須低于輸入電壓的最小值，才能正常工作。穩(wěn)壓管的最大功耗為200mW。MIC29150—12的最大功耗為13W；VT的功耗低于15W。

2 LDO的并聯(lián)使用方法
    為獲得大電流輸出，可將兩片或兩片以上的LDO并聯(lián)工作構(gòu)成復(fù)合式穩(wěn)壓器。例如，采用兩片LDO可將輸出電流擴(kuò)展到2倍；如采用3片LDO，即可將輸出電流擴(kuò)展到3倍，以此類(lèi)推。這種方法的特點(diǎn)是將總輸出功率平均分配給每個(gè)LDO，并能保持LDO的輸出特性。在同樣的總輸出功率下，使用兩片LDO配一個(gè)散熱器，要比使用一片LDO配同一個(gè)散熱器的散熱效率提高大約33％。
    將兩片LDO并聯(lián)使用時(shí)，必須使二者的電路參數(shù)及散熱量能實(shí)現(xiàn)匹配。因?yàn)長(zhǎng)DO中的PNP型調(diào)整管屬于雙極型晶體管，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，在輸入電壓不變的情況下通過(guò)調(diào)整管的電流會(huì)變大。如果兩只調(diào)整管不能匹配或二者的工作溫度不同，負(fù)載電流不能被兩個(gè)LDO平均分配，通過(guò)其中一個(gè)調(diào)整管的電流就比通過(guò)另一個(gè)調(diào)整管的電流大。其結(jié)果是電流大的調(diào)整管將更熱，促使電流繼續(xù)增大，釀成“熱量失控”的惡性循環(huán)后果，最終會(huì)導(dǎo)致最熱的那片LD0損壞。
    為使兩個(gè)LDO能并聯(lián)工作，一種簡(jiǎn)單而有效的方法是利用電流檢測(cè)電阻和運(yùn)算放大器，來(lái)監(jiān)控通過(guò)每個(gè)LDO的電流并使之保持平衡。以MIC29712型7．5A大電流、可調(diào)輸出式LD0為例，由兩片MIC29712并聯(lián)使用構(gòu)成的+3．3V／15A的LDO電路如圖2所示。兩片MIC29712分別用LD01、LD02表示，其中LDOl作為主穩(wěn)壓器，LDO2為輔助穩(wěn)壓器。R1和R2為取樣電阻，選擇Rl=205kΩ、R2=124kΩ時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式為

   

    選擇R1=205kΩ、R2=124kΩ時(shí)，Un=3．29V≈3．3V。
    R3和R5均為電流檢測(cè)電阻，選擇其阻值的原則是在適度的輸出電流情況下，能提供一個(gè)足夠大的輸出電壓，以便使運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓可忽略不計(jì)。如果電阻太小，就會(huì)影響匹配；若阻值過(guò)大，復(fù)合式穩(wěn)壓器的壓差將會(huì)增大。運(yùn)算放大器MIC6211的反相輸入端接LDO1的輸出端，同相輸入端接LDO2的輸出端，運(yùn)算放大器的輸出端用來(lái)驅(qū)動(dòng)LD02的調(diào)整端ADJ。利用運(yùn)算放大器可監(jiān)控LDO2的輸出，使之與LDO1相匹配。MIC6211屬于高性能通用運(yùn)算放大器，電源電壓范圍是4～32V，采用單電源、雙電源供電均可。其轉(zhuǎn)換速率為6W/μs，增益帶寬為2．5MHz，帶內(nèi)部增益補(bǔ)償。具有反極性保護(hù)、輸出限流保護(hù)和輸出短路保護(hù)功能。反極性保護(hù)是指輸入電壓低于電源負(fù)端U-的電壓時(shí)，能起到保護(hù)作用。
    該項(xiàng)技術(shù)亦可應(yīng)用于3個(gè)或更多個(gè)LDO的并聯(lián)使用。實(shí)際上，只要為每個(gè)輔助穩(wěn)壓器都配一只電流檢測(cè)電阻和運(yùn)算放大器，即可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量穩(wěn)壓器的并聯(lián)擴(kuò)展應(yīng)用。需要指出，這里是把可調(diào)式主穩(wěn)壓器LDO1的輸出設(shè)定為+3．3V固定電壓，但并不推薦用固定輸出式LDO用作主穩(wěn)壓器。因?yàn)楹笳邲](méi)有專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)負(fù)載電壓的ADJ端，并且當(dāng)通過(guò)電流檢測(cè)電阻的電流增加時(shí)輸出電壓會(huì)降低。

3 能從0V起調(diào)的LDO電路設(shè)計(jì)
    某些實(shí)驗(yàn)室用的可調(diào)式線(xiàn)性穩(wěn)壓電源或供校準(zhǔn)用的精密穩(wěn)壓電源，要求輸出電壓必須能從0V開(kāi)始連續(xù)可調(diào)。但可調(diào)式LDO的調(diào)整范圍只能從其基準(zhǔn)電壓UREF到最高輸出電壓，UREF一般為1．2V左右。下面介紹能實(shí)現(xiàn)從0V起調(diào)的兩種方法。這兩種情況下都能消除內(nèi)部基準(zhǔn)電壓UREF對(duì)輸出零點(diǎn)的影響，但要求反饋回路中的所有節(jié)點(diǎn)必須以UREF為參考點(diǎn)并工作在線(xiàn)性區(qū)。
3．1 利用外部基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的方法
    利用外部基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的電路如圖3所示。電路中采用一片由美國(guó)NSC公司生產(chǎn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源LM4041-1．2，基準(zhǔn)電壓的典型值UREF′=1．225V，與MIC29152內(nèi)部的1．240V基準(zhǔn)電壓UREF十分接近。LM4041-1．2屬于低功耗精密基準(zhǔn)電壓源，輸出電壓精度優(yōu)于1％，電壓溫度系數(shù)低至15×10-6／℃。其工作電流范圍是60μA～12mA，輸出噪聲電壓僅為20μV(有效值)。由P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2N3697和R3構(gòu)成恒流源，給LM4041-1．2和取樣電阻R1和R2提供77μA的恒定電流。其中，通過(guò)LM4041-1．2的恒定電流為70μA，通過(guò)R1和R2的恒定電流為7μA。當(dāng)R1選用3MΩ可調(diào)電阻(或電位器)、R2=180kΩ時(shí)，Uo可在O～20V內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

    該電路的特點(diǎn)是當(dāng)R1=0時(shí)，Uo=0V，UADJ本應(yīng)為0V，但由于LM404l一1．2給取樣電阻分壓器提供一個(gè)與LDO的輸出電壓等效的電壓UREF′，加在ADJ端，因此可使UADJ提升到1．225V，以保證LDO能正常穩(wěn)壓；當(dāng)R1=2．723MΩ時(shí)，根據(jù)式(1)可計(jì)算出Uo=20V，從而使輸出電壓能夠從0V起調(diào)。
    該電路的缺點(diǎn)是UREF′與UREF之間存在的微小差異，使實(shí)際輸出電壓的最小值為幾毫伏至十幾毫伏，嚴(yán)格講還不能從0V起調(diào)。
3．2 利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)LDO從0V起調(diào)的方法
    利用運(yùn)算放大器確保LD0能從0V起調(diào)的電路如圖4所示。A1、A2合用一片低功耗、低失調(diào)電壓的雙運(yùn)放LM358。該電路有以下特點(diǎn)：第一，取樣電阻分壓器的下端并不直接接地，而是接A1的輸出端；第二，調(diào)節(jié)電路由R3~R5組成，R5采用100kΩ電位器，設(shè)計(jì)時(shí)取R3=R1，R4=R2，這相當(dāng)于將取樣電阻分壓器“復(fù)制”到調(diào)節(jié)電路中；第三，通過(guò)調(diào)節(jié)R5可提升取樣電阻分壓器的地電位，使Uo=0V時(shí)，UADJ=1．225V；第四，實(shí)際輸出電壓能?chē)?yán)格的從0V起調(diào)，并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中U0能平滑地升高，無(wú)跳變現(xiàn)象。

4 由LD0構(gòu)成恒流源的電路設(shè)計(jì)
    利用LDO或VLDO還可構(gòu)成高穩(wěn)定度、高效率的恒流源，適合對(duì)電池進(jìn)行恒流充電。
4．1 由固定輸出式LDO構(gòu)成的恒流源
    由固定輸出式LDO構(gòu)成的恒流源電路如圖5所示。該恒流源可向負(fù)載RL提供某一恒定的電流IH，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)LDO通過(guò)改變調(diào)整管壓降來(lái)維持IH不變，在Uo端與GND之間接固定電阻R，負(fù)載則接到GND與地之間。其恒流原理如下：因?yàn)長(zhǎng)DO的輸出電壓U0穩(wěn)定不變，所以通過(guò)R的電流(亦即通過(guò)外部負(fù)載RL上的電流)IH也不變。如果負(fù)載導(dǎo)致IH改變，R上的壓降UR=IHR也隨之改變。但LDO具有穩(wěn)壓作用，它通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部PNP型調(diào)整管的壓降來(lái)保證Uo(即UR)值不變，使IH不受負(fù)載變化的影響，從而實(shí)現(xiàn)了恒流輸出。雖然穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流Id也流過(guò)RL，但由于Id很小，一般可忽略不計(jì)，因此計(jì)算IH的公式為

   

4．2 由超低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓控制器構(gòu)成的恒流源
    超低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓控制器內(nèi)部不包含調(diào)整管，而是通過(guò)驅(qū)動(dòng)外部PNP調(diào)整管或N溝道MOSFET構(gòu)成LDO，這是它們與LDO的重要區(qū)別。由MIC5158型超低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓控制器構(gòu)成的恒流源電路如圖6所示。MIC5158能直接驅(qū)動(dòng)大功率N溝道MOSFET。由于MIC5158的限流電路是以?xún)?nèi)部比較器的35mV參考電壓為基準(zhǔn)的，因此，它具有獨(dú)特的線(xiàn)性化的限流特性。

    該恒流源具有電路簡(jiǎn)單、效率高、能輸出大電流等優(yōu)良性能。如果需要的話(huà)，可通過(guò)R1和R2來(lái)限制輸出電壓的最大值。它所適用的輸出電壓范圍是OV～(U1一△U)，取樣電阻兩端的壓降僅為(IHRDS(ON)+35mV)。即使輸出10A的恒定大電流，取樣電阻的壓降也僅為幾百毫伏。輸出電流由下式確定，即