三端并聯(lián)穩(wěn)壓器的隱藏應(yīng)用

作者：德州儀器 Michael O'Loughlin

引言：

眾多半導(dǎo)體公司均推出了三端并聯(lián)穩(wěn)壓器 (three-terminal shunt regulator)。此類(lèi)器件帶有內(nèi)部基準(zhǔn)精確度、運(yùn)算放大器及內(nèi)部并聯(lián)晶體管，以精確控制供電電壓。圖 1 給出了典型的電路應(yīng)用。三端并聯(lián)穩(wěn)壓器是廉價(jià)的半導(dǎo)體器件，除了并聯(lián)穩(wěn)壓器以外，其還具備其他有用的電源設(shè)計(jì)應(yīng)用。這種半導(dǎo)體器件可用作廉價(jià)的運(yùn)算放大器，用于控制回路反饋。該器件還可同晶體管及無(wú)源組件協(xié)同使用，又可用于快速自舉電路。此外，這種器件經(jīng)過(guò)配置，還可作為低功耗輔助電源工作，在輕負(fù)載操作條件下為脈寬調(diào)制器 (PWM) 控制器供電。盡管上述電路在并聯(lián)穩(wěn)壓器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上沒(méi)有說(shuō)明，但卻是非常有用的應(yīng)用。


運(yùn)算放大器：

在設(shè)計(jì)包含 PWM 而不含電壓放大器的電源設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可采用并聯(lián)穩(wěn)壓器作為廉價(jià)的運(yùn)算放大器。圖 2 給出了這種應(yīng)用的功能結(jié)構(gòu)圖。方程式 1 解釋了這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)傳輸函數(shù)的數(shù)學(xué)原理。

注釋：方程式 1 建立在 Rbias << Rz 的基礎(chǔ)上。


我們可向電路添加光耦合器，以實(shí)現(xiàn)一定程度的電隔離 (galvanic isolation)。圖 3 給出了隔離的反饋電路的示意圖。電阻器 R1 用于向光耦合器及 TL431 施加偏壓。電阻器 R3 和二極管 D1 提供一個(gè)固定的偏置，以保證偏壓電阻 R1 不會(huì)形成反饋路徑。電阻器 R1 和 R2 用于控制整個(gè)光耦合器上的增益。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，R2 與 R1 之比大致設(shè)置為十比一。光耦合器帶有高極點(diǎn)頻率 (fp)。光耦合器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)一般不提供有關(guān)極點(diǎn)頻率的信息。通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用中的極點(diǎn)約為10 kHz。


自舉電路：

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，脈寬調(diào)制器 IC 通常由輔助繞組供電，有關(guān)情況可參見(jiàn)圖4。啟動(dòng)這種電路需要連續(xù)補(bǔ)充充電電阻 (Rt) 和吸持電容 (Ch)。為了盡可能降低功耗，我們要讓補(bǔ)充充電電阻盡可能大。吸持電容也應(yīng)較大，因?yàn)樗陔娫撮_(kāi)始開(kāi)關(guān)之前都會(huì)向 PWM 提供能量。


我們可用一支雙極管和一些電阻器來(lái)配置并聯(lián)穩(wěn)壓器，以加速自舉時(shí)間。如欲了解詳情，請(qǐng)參見(jiàn)圖5。通過(guò) Rd 的電氣元件 C、D1、Q1 以及 Ra 構(gòu)成自舉電路。在上電時(shí)，電容器 C 將完全放電，而 PWM 電源輸入處的電壓 (Vaux) 將由串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器 (series-pass regulator) 決定，旁路穩(wěn)壓器則通過(guò) Q1 及 D1 控制。啟動(dòng)狀態(tài)下的 Vaux 電壓是其峰值電壓 (Vaux_peak)，其值由電阻器 Ra 和 Rb 之比決定。電容器 C 和電阻器 Rcz 則用于決定計(jì)時(shí)情況以及自舉電路的關(guān)閉電壓，從而節(jié)約能量。電阻器 Rd 為 TL431 提供偏流，而電阻器 Re 則限制電流，以保證晶體管 Q1 處于安全的工作區(qū)域 (SOA)。

設(shè)置電路并不太困難。我們選擇電阻器 Ra 和 Rb 來(lái)設(shè)置峰值充電電壓 (Vaux_peak)。

選擇電阻器 Rc 來(lái)降低并聯(lián)電壓，使之低于額定的 Vaux 電壓 (Vaux_nominal)，該額定 Vaux 電壓由輔助繞組提供。

電容器 C 設(shè)置自舉時(shí)間 (Tboot)。


低功耗 PWM 偏置電源：

在某些電源中，PWM 由類(lèi)似圖4所示電路的輔助繞組供電。這種電路的問(wèn)題在于，在輕負(fù)載工作情況下，輔助繞組中存儲(chǔ)的能量不足以給 IC 供電。電源的工作情況甚至?xí)兊秒y以估計(jì)，因?yàn)?PWM 將不斷開(kāi)關(guān)。圖 6 所示的電路給出了解決這種問(wèn)題的辦法，即采用串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器，在輕負(fù)載條件下啟動(dòng)，而在偏置繞組可以為 PWM 控制器供電情況下關(guān)閉。

通過(guò)電阻器 Rd 的 Ra 以及二極管 D1、D2，再加上晶體管 Q1，它們構(gòu)成了低功耗偏置電源。低功耗偏置電源根據(jù)設(shè)置可調(diào)節(jié)電壓，使其高于 PWM 的關(guān)閉電壓，又低于輔助繞組的額定電壓 (Vaux_nominal)。這就使晶體管 Q1 能作為二極管或電路發(fā)揮作用。如果 PWM 由輔助繞組供電，那么 Vaux 電壓將反向偏置，關(guān)閉晶體管 Q1 而節(jié)約能量。如果由于能量不足 Vaux 電壓下降，那么 Q1 就會(huì)變成正向偏置，以向 PWM 控制器提供必需的能量。

設(shè)置低通串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器并不困難。電阻器 Rc 的大小應(yīng)剛好可以向 D1 提供偏流，電阻器 Rd 的大小應(yīng)剛好可以保證晶體管 Q1 不超出其 SOA 的范圍，而電阻器 Ra 和 Rb 的大小則應(yīng)能夠調(diào)節(jié)低功耗串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器的電壓。這種低功耗串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器提供的電壓應(yīng)設(shè)置為高于控制 IC 的啟動(dòng)電壓，并低于輔助繞組提供的額定電壓 (Vaux_nominal)。

以下方程式用于調(diào)節(jié)由 Ra 和 Rb 構(gòu)成的電阻分壓器。Q1 發(fā)射極處設(shè)置的電壓應(yīng)低于變壓器 T1 二級(jí)繞組提供的額定輔助電壓 (Vaux_nominal)。Vref 是并聯(lián)穩(wěn)壓器 D1 的內(nèi)部參考電壓。Vd2 和 Vbeq1 分別是二極管 d2 和 Q1 基射極電壓的壓降。


總結(jié)：

類(lèi)似TL431的三端并聯(lián)穩(wěn)壓器在許多應(yīng)用中都大有用處。這種三端子器件既廉價(jià)，功能又很多樣化。這種穩(wěn)壓器經(jīng)過(guò)配置，可在開(kāi)關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)多種功能。這種器件可用作基準(zhǔn)精確度，也可作為廉價(jià)的運(yùn)算放大器以進(jìn)行反饋控制。這種穩(wěn)壓器還可用于電源的快速自舉，這與傳統(tǒng)的方法不同。并聯(lián)穩(wěn)壓器與 NPN 晶體管配合使用，還能實(shí)現(xiàn)低功耗偏置電源，在輕負(fù)載條件下啟動(dòng)，而在輔助繞組能夠?yàn)?PWM 提供足夠電力的時(shí)候關(guān)閉。