低壓差線性穩壓器的使用技巧

2021-01-08 電子產品世界

l 提高LD0輸入電壓的方法

當輸入電壓超過現有LDO的最高輸入電壓時,可在LD0的輸入端增加一個「前置調節器」(Preregulator),以滿足高壓輸入的條件。利用前置穩壓器提高LDO輸入電壓的電路如圖1所示。電路中採用一片由美國Micrel公司生產的MIC29150一12型低壓差線性穩壓器,其最高輸入電壓為+26V,輸出為+12V/1A。前置穩壓器由達林頓管VT,電阻R1和R2、25V/200mW的穩壓管VDz構成。達林頓管的電流放大係數約為1000倍即可。R1為穩壓管的限流電阻,R1、R2還作為達林頓管的基極偏置電阻。前置穩壓器屬於粗調穩壓器,後級LDO為細調穩壓器,二者組成複合式穩壓器。其作用是將外部輸入電壓降低到+26V以下,使之低於MIC29150一12的最高輸入電壓值。該電路對前置調節器的精度指標以及對負載瞬態響應的指標要求並不高,因為這些指標可由後級LDO來實現。

選擇R1和R2的參數表如表1所列。UI(min)、UI(max)分別為輸入電壓的最小值和最大值。當UI(max)40V時,可省去R2;當UI(max)40V時必須增加R2,通過R2進行散熱。前置穩壓器也承擔一部分功率損耗。需要注意的是該複合式穩壓器對最低輸入電壓也是有限制的,其輸出電壓必須低於輸入電壓的最小值,才能正常工作。穩壓管的最大功耗為200mW。MIC29150―12的最大功耗為13W;VT的功耗低於15W。

2 LDO的並聯使用方法
為獲得大電流輸出,可將兩片或兩片以上的LDO並聯工作構成複合式穩壓器。例如,採用兩片LDO可將輸出電流擴展到2倍;如採用3片LDO,即可將輸出電流擴展到3倍,以此類推。這種方法的特點是將總輸出功率平均分配給每個LDO,並能保持LDO的輸出特性。在同樣的總輸出功率下,使用兩片LDO配一個散熱器,要比使用一片LDO配同一個散熱器的散熱效率提高大約33%。
將兩片LDO並聯使用時,必須使二者的電路參數及散熱量能實現匹配。因為LDO中的PNP型調整管屬於雙極型電晶體,它具有負的電阻溫度係數,當溫度升高時,在輸入電壓不變的情況下通過調整管的電流會變大。如果兩隻調整管不能匹配或二者的工作溫度不同,負載電流不能被兩個LDO平均分配,通過其中一個調整管的電流就比通過另一個調整管的電流大。其結果是電流大的調整管將更熱,促使電流繼續增大,釀成「熱量失控」的惡性循環後果,最終會導致最熱的那片LD0損壞。
為使兩個LDO能並聯工作,一種簡單而有效的方法是利用電流檢測電阻和運算放大器,來監控通過每個LDO的電流並使之保持平衡。以MIC29712型7.5A大電流、可調輸出式LD0為例,由兩片MIC29712並聯使用構成的+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作為主穩壓器,LDO2為輔助穩壓器。R1和R2為取樣電阻,選擇Rl=205kΩ、R2=124kΩ時,輸出電壓的計算公式為

選擇R1=205kΩ、R2=124kΩ時,Un=3.29V≈3.3V。
R3和R5均為電流檢測電阻,選擇其阻值的原則是在適度的輸出電流情況下,能提供一個足夠大的輸出電壓,以便使運算放大器的輸入失調電壓可忽略不計。如果電阻太小,就會影響匹配;若阻值過大,複合式穩壓器的壓差將會增大。運算放大器MIC6211的反相輸入端接LDO1的輸出端,同相輸入端接LDO2的輸出端,運算放大器的輸出端用來驅動LD02的調整端ADJ。利用運算放大器可監控LDO2的輸出,使之與LDO1相匹配。MIC6211屬於高性能通用運算放大器,電源電壓範圍是4~32V,採用單電源、雙電源供電均可。其轉換速率為6W/μs,增益帶寬為2.5MHz,帶內部增益補償。具有反極性保護、輸出限流保護和輸出短路保護功能。反極性保護是指輸入電壓低於電源負端U-的電壓時,能起到保護作用。
該項技術亦可應用於3個或更多個LDO的並聯使用。實際上,只要為每個輔助穩壓器都配一隻電流檢測電阻和運算放大器,即可實現任意數量穩壓器的並聯擴展應用。需要指出,這裡是把可調式主穩壓器LDO1的輸出設定為+3.3V固定電壓,但並不推薦用固定輸出式LDO用作主穩壓器。因為後者沒有專門用於檢測負載電壓的ADJ端,並且當通過電流檢測電阻的電流增加時輸出電壓會降低。

3 能從0V起調的LDO電路設計
某些實驗室用的可調式線性穩壓電源或供校準用的精密穩壓電源,要求輸出電壓必須能從0V開始連續可調。但可調式LDO的調整範圍只能從其基準電壓UREF到最高輸出電壓,UREF一般為1.2V左右。下面介紹能實現從0V起調的兩種方法。這兩種情況下都能消除內部基準電壓UREF對輸出零點的影響,但要求反饋迴路中的所有節點必須以UREF為參考點並工作在線性區。
3.1 利用外部基準電壓實現LDO從0V起調的方法
利用外部基準電壓實現LDO從0V起調的電路如圖3所示。電路中採用一片由美國NSC公司生產的帶隙基準電壓源LM4041-1.2,基準電壓的典型值UREF′=1.225V,與MIC29152內部的1.240V基準電壓UREF十分接近。LM4041-1.2屬於低功耗精密基準電壓源,輸出電壓精度優於1%,電壓溫度係數低至15×10-6/℃。其工作電流範圍是60μA~12mA,輸出噪聲電壓僅為20μV(有效值)。由P溝道結型場效應管2N3697和R3構成恆流源,給LM4041-1.2和取樣電阻R1和R2提供77μA的恆定電流。其中,通過LM4041-1.2的恆定電流為70μA,通過R1和R2的恆定電流為7μA。當R1選用3MΩ可調電阻(或電位器)、R2=180kΩ時,Uo可在O~20V內連續調節。

該電路的特點是當R1=0時,Uo=0V,UADJ本應為0V,但由於LM404l一1.2給取樣電阻分壓器提供一個與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能正常穩壓;當R1=2.723MΩ時,根據式(1)可計算出Uo=20V,從而使輸出電壓能夠從0V起調。
該電路的缺點是UREF′與UREF之間存在的微小差異,使實際輸出電壓的最小值為幾毫伏至十幾毫伏,嚴格講還不能從0V起調。
3.2 利用運算放大器實現LDO從0V起調的方法
利用運算放大器確保LD0能從0V起調的電路如圖4所示。A1、A2合用一片低功耗、低失調電壓的雙運放LM358。該電路有以下特點:第一,取樣電阻分壓器的下端並不直接接地,而是接A1的輸出端;第二,調節電路由R3~R5組成,R5採用100kΩ電位器,設計時取R3=R1,R4=R2,這相當於將取樣電阻分壓器「複製」到調節電路中;第三,通過調節R5可提升取樣電阻分壓器的地電位,使Uo=0V時,UADJ=1.225V;第四,實際輸出電壓能嚴格的從0V起調,並且在調節過程中U0能平滑地升高,無跳變現象。

4 由LD0構成恆流源的電路設計
利用LDO或VLDO還可構成高穩定度、高效率的恆流源,適合對電池進行恆流充電。
4.1 由固定輸出式LDO構成的恆流源
由固定輸出式LDO構成的恆流源電路如圖5所示。該恆流源可向負載RL提供某一恆定的電流IH,當負載發生變化時LDO通過改變調整管壓降來維持IH不變,在Uo端與GND之間接固定電阻R,負載則接到GND與地之間。其恆流原理如下:因為LDO的輸出電壓U0穩定不變,所以通過R的電流(亦即通過外部負載RL上的電流)IH也不變。如果負載導致IH改變,R上的壓降UR=IHR也隨之改變。但LDO具有穩壓作用,它通過自動調節內部PNP型調整管的壓降來保證Uo(即UR)值不變,使IH不受負載變化的影響,從而實現了恆流輸出。雖然穩壓器的靜態工作電流Id也流過RL,但由於Id很小,一般可忽略不計,因此計算IH的公式為

4.2 由超低壓差線性穩壓控制器構成的恆流源
超低壓差線性穩壓控制器內部不包含調整管,而是通過驅動外部PNP調整管或N溝道MOSFET構成LDO,這是它們與LDO的重要區別。由MIC5158型超低壓差線性穩壓控制器構成的恆流源電路如圖6所示。MIC5158能直接驅動大功率N溝道MOSFET。由於MIC5158的限流電路是以內部比較器的35mV參考電壓為基準的,因此,它具有獨特的線性化的限流特性。

該恆流源具有電路簡單、效率高、能輸出大電流等優良性能。如果需要的話,可通過R1和R2來限制輸出電壓的最大值。它所適用的輸出電壓範圍是OV~(U1一△U),取樣電阻兩端的壓降僅為(IHRDS(ON)+35mV)。即使輸出10A的恆定大電流,取樣電阻的壓降也僅為幾百毫伏。輸出電流由下式確定,即

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