超低压差稳压技术

2006-05-07 15:49:47来源: 电源技术应用

便宜的价格,简单的结构等特点,被广泛地应用到各种仪器中,而稳压器性能的好坏将直接影响到仪器性能的优劣。尽管用双极型调整管构成的线性低压稳压器的性能比较优良,但还存在若干不尽人意之处。

2 线性稳压器存在的问题

    线性稳压器最主要的缺点是效率低,如对于5V输出型在交流电源电压波动±20%的条件下,在电源电压最高时和标称值时的效率分别不高于27%和33%。而相同规格的开关稳压电源的效率则可达70%。因此,在很多领域中不得不采用开关稳压电源。对于开关稳压电源,最大的缺点是尖峰与电磁干扰(EMI),如果能将线性稳压电源的效率提高到与开关稳压电源相当的水平,将优异的稳压性能、较高的电源效率和可靠性集于一体,一定会开拓出线性稳压电源应用的更加广泛的领域。

    线性稳压电源的效率低,主要原因是调整管的最小压差、整流效率、整流变压器效率、电网电压波动、整流滤波后的高幅值纹波(通常5V到8V甚至更高)等的影响。双极型功率管导通死区电压较高,一般为(2.5~4)V,致使稳压器在低压差甚至超低压差时不能工作。正常工作电流较大时,稳压器效率较低、耗能较大;采用多极放大,需要深度补偿,从而影响响应速度,令稳压器的稳定性能下降;若含有多输入端开关变换器,在稳定一端电压的同时将会引起负载电流的变化及其他输出端电压的改变。基于线性稳压器的以上缺点,本文提出一种MOSFET超低压差稳压器,从根本上改善了稳压器的性能。

3 超低压差稳压技术的实现

    在超低压差整流电路中,桥式整流电路是不可取的,因为这种电路较双半波整流电路效率低约10%。如果采用肖特基势垒二极管或工频同步整流器还会使整流的效率提高5%~10%。

    提高稳压器性能的根本途径在于使稳压器能够在较低电压差时具有稳压能力。常规线性稳压电路由于器件和电路自身的限制,调整管的最小压差一般为4V。5V输出的稳压电路中,由此导致的效率不会高于55%,或损耗为4W/A。因此减小调整管最小压差成为限制线性稳压电源发展的主要焦点,目前3A以下输出的低压差线性集成稳压器可使最小输入输出压差减少到0.5V。这样由于调整管的最小压差造成的损耗减小到0.5W/A。而更高的输出电流和更低的输入输出压差,须选择合适的稳压电路形式和调整管。如采用UC3832高精度线性稳压电路控制IC和低导通电阻的功率MOSFET,可使最小输入输出压差为0.2V。为尽可能减小输入输出压差,作者采用极低导通电阻(5mΩ)的功率场效应晶体管,可在15A输出时仅有约100mV的压降,连同电流检测电阻的压降(100mV),整个稳压电路的最小输入输出压差为200mV,是目前所有线性稳压电路中最低的,效率可达96%。稳压器在正常工作时电流较小,可以减小能量损失,提高效率,因此选择MOSFET作为稳压器的主要器件。

    (1)从MOSFET的输出特性来看,MOSFET呈电阻性,其驱动电流静态几乎为零,致使电流对应的漏-源电压为零,且低额定电压的MOSFET的导通电阻很低(数至数十毫欧),因而最低工作电压极低,可以达到0.1V或更低,工作压降在(0.1~0.2)V即可正常工作,实现稳压作用。从输出特性来看,线性稳压器开启电压较高,双极型晶体管2N3055的死区电压为0.25V,TIP100的死区电压达到(1~1.5)V,即便使用低压差输出,最低工作压降也将达到0.6V左右,如图1所示。双极型稳压器相当一个可调电压源,而MOSFET可视为一个可调电阻。并且MOSFET内部的反向二极管在反向偏置电压时能够起到保护的作用。而双极型稳压器若想实现以上功能,就必须外接反向二极管。这虽然可以实现同样的功能,但却使电路复杂化,不仅增大了整个稳压器的尺寸,同时也增大了误差,降低了效率和准确度。

    (2)以MOSFET为主要器件的稳压器,为一级放大,因此具有更好的稳定性。而由双极型功率管制成的稳压器的基极电流较大,工作点接近饱和区工作,因此稳定性不好。

    (3)以多数载流子工作的MOSFET,其暂态响应速度比相应以少数载流子导电的双极型晶体管快,通过图2不难看出,MOSFET的输出误差远远小于双极型调整管稳压器。MOSFET的瞬时过载性能优越,瞬时电流可达到额定电流的4倍而不损坏;对于普通的双极型晶体管,最高瞬时电流仅能够达到其额定电流的1.5倍。

    对于N沟道的MOSFET,在高速转换时需要约10V的正向偏压,因为MOSFET的输入电流低,在电容充电过程中,可产生足够的自偏压,电路的输入电压与电流呈线性关系,输入电压降低,稳压器的栅源电压就降低。如图3为MOSFET的接线图,图4为稳压时的比较图。

    对于P沟道的MOSFET,如图5所示,此电路的工作点只能在线性区。

    用MOSFET做调整管,当额定电压低于100V时MOSFET的导通压降低于双极型晶体管。如采用SMP60N03(30V、5mΩ)做为调整管,在输出电流为10A、最低管压降在200mV时仍能有效地稳压。使这一项造成的损耗降到0.2W/A。其稳压原理如下:输出电压经R3、R4分压送到TL431的R端与TL431内部的2.5V精密基准比较放大后,在K端正输出,控制MOSFET的栅极电压,调节其漏极电流实现输出电压的稳定。如输出电压高于额定值,TL431输出端电压下降,使MOSFET的栅极电压下降,漏极电流将小于负载电流,这时输出滤波电容器向负载放电提供MOSFET输出的不足部分,使输出电压下降回到额定值。

    图5电路自身无过流保护功能,需附加过电流保护电路。由于超低压差稳压,并且大电流输出,为确保高效率,不允许在主电路中串联电流检测电阻。因此采用检测调整管压降方式检测过电流,由于采用了预稳电路,可确保负载正常时调整管压降不超过0.8V,因此可取过电流保护阈值电压为1.2V。当过电流或输出短路时,调整管压降必然增加,并超过整定阈值,使TL431的K端电压降到饱和值,将MOSFET关断。这种过电流保护电路无自动复位功能,需手动复位。

4 超低压差稳压器的过电流保护

    常用线性稳压器的过电流保护方式主要有:限流型、减流型和截止型三种。

    限流型的输出特性如图6所示。它的特点是:负载电流达到限流值,稳压电源进入恒流状态,负载电流被限制在限流值。这种电路的优点是:相对容易实现,并且可以全载起动。这种电路的最大缺点是:在过电流保护状态下,调整管将承受限流值与压差所产生的过分损耗,为确保调整管在过电流保护时不损坏,应该以过电流保护状态下的功率损耗作为选择调整管和热设计的依据,这将使稳压器的成本、体积和重量增加、可靠性降低。

    减流型(又称折返型)的输出特性如图7所示。它的特点是:稳压电源进入过电流保护区,它的输出特性为图中的区域Ⅱ,即输出电流随输出电压而减小,可使调整管的损耗即使在过流保护时也不致于过大,其典型应用如三端集成稳压器,这种过电流保护方式尽管在诸多场合下很适用,但在全载恒流特性和大多数模拟及数字电路的电源特性下(如图8)可能会产生“锁定”(Latchup)效应,即输出电压被锁定在低于正常稳压值的低电压上不能正常起动。

    为确保冲击性负载或全载恒流起动,必须将过流保护点和正常最大工作电流间设置较大的裕量,容易使过电流的负载因没有得到电源的保护而烧坏。

    截止型的输出特性如图9。其特点是:当负载电流达到限流值时,过电流保护电路使稳压电源进入截止状态,并不再恢复,使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是这时的调整管的功耗为零。而其最大缺点是在冲击性负载时容易误动作使稳压电源进入截止状态,而且一旦进入截止状态后,既使过电流状态解除,也不能自动复位。

5 超低压差稳压技术的应用

    对于利用电池供电的用电器,电池和稳压电路性能的好坏将直接影响用电器的使用性能,采用超低压差稳压技术,可以在同样的条件下,达到更长的稳定工作的时间,如图10所示的电池放电的特性曲线,对于同样的用电器,使用线性调整管稳压器的电池寿命将远小于使用MOSFET的超低压差稳压器,使用超低压差稳压器的电池寿命大约是使用双极型调整管稳压器的电池寿命的3倍左右。

6 结语

    MOSFET在稳压器中的使用,大大提高了产品的可靠性和效率。同时减小了设备和仪器的尺寸和重量,并且延长了设备的使用寿命,尤其是对于使用电池作为电源的设备,更是极大地提高了它的可靠性、稳定性和使用寿命。对于普通的双极型调整管稳压器来说,输入输出电压降到(0.2~0.6)V时,其工作效率将大大地降低;而MOSFET却能够在几十毫伏下正常工作,因而降低了输入电压,减小了波纹电压,提高了产品寿命。

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