如何用分立组件设计稳健的串联线性稳压器

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12.6V。

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4.22kΩ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：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：

（7）

当满足下列条件时，会发生最坏的情况：

VIN = VIN_max

VO = VO_min

IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)

因此，Q1的最大功耗为（VIN_max – VO_min）2/（4×RC）。在本示例中，它是110mW。笔者选择了一种额定功率为350mW、采用SOT23封装的小外形晶体管。

至于RB的最大功耗，在具有最大输入的短路事件中会发生最坏的情况。跨RB的电压等于输入电压减去VBE(sat)。最大功耗估计为38mW。

在这篇文章中，笔者描述了具有分立组件的稳健低成本线性稳压器的设计准则。该设计过程证明，来自德州仪器（TI）的集成式线性稳压器可提供更佳的输出调节功能以及完善的过电压、短路和过温保护功能。

 

其它资源

 

阅读更多电源小贴士。

看电源小贴士视频：https://training.ti.com/power-tips-training-serie

观看这段NPN稳压器的概览视频

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/22/power-tips-how-to-design-a-robust-series-linear-regulator-with-discrete-components
编辑：jq