三端集成稳压电源

2011-07-12 15:57:56来源: 互联网
三端集成稳压电源

目前,电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端,故称之为三端式稳压器。这类集成稳压器的外形图如图1所示。

78××系列输出为正电压,输出电流可达1A,如78L××系列和78M××系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。和78××系列对应的有79××系列,它输出为负电压,如79M12表示输出电压为–12V和输出电流为0.5A。

图1

一、工作原理

现以具有正电压输出的78L××系列为例介绍它的工作原理。

注 图中R11由输出电流档次决定,R12由输出电压档次决定
图1

电路如图1所示,三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。

(1)启动电路

在集成稳压器中,常常采用许多恒流源,当输入电压V1接通后,这些恒流源难以自行导通,以致输出电压较难建立。因此,必须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时,有电流通过T1、T2,使T3基极电位上升而导通,同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压,当DZ2达到和DZ1相等的稳压值,整个电路进入正常工作状态,电路启动完毕。与此同时,T2因发射结电压为零而截止,切断了启动电路与放大电路的联系,从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。

(2)基准电压电路

基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成,电路中的基准电压为

 

式中VZ2为DZ2的稳定电压,VBE为T3、D1、D2发射结(D1、D2为由发射结构成的二极管)的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿,可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时,对稳压管DZ2采用恒流源供电,从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。

(3)取样比较放大电路和调整电路

这部分电路由T4~T11组成,其中T10、T11组成复合调整管;R12、R13组成取样电路;T7、T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路;T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。

T9、R9的作用说明如下:如果没有T9、R9,恒流源管T5的电流IC5=IC8+IB10,当调整管满载时IB10最大,而IC8最小;而当负载开路时IO=0,IB10也趋于零,这时IC5几乎全部流入T8,使得IC8的变化范围大,这对比较放大电路来说是不允许的,为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时,IB10减小,IC8增大,待IC8增大到 >0.6V时,则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担,使IC8的变化范围缩小。

(4)保护电路

减流式保护电路

减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成,R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管(主要是T11)能在安全区以内工作,特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。假设图1中的DZ3、DZ4和R14不存在,R15两端短路。这时,如果稳压电路工作正常,即PC =IOR11<0.6V,T12截止。当输出电流急剧增加,例如输出端短路时,输出电流超过极限值(IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11)时,即当 >0.6V时,使T12管导通。由于它的分流作用,减小了T10的基极电流,从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率PCM=ICVCE,只有既考虑通过它的电流和它的管压降VCE值,又使PC(VZ3+ VZ4),则DZ3、DZ4击穿,导致T12管发射结承受正向电压而导通。VBE12的值为

经整理后得

显然,(VI –VO)越大,即调整管的VCE值越大,则IO越小,从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于IO的减小,故上述保护称为减流式保护。

过热保护电路

电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时,R3上的压降仅为0.4V左右,T14、T13是截止的,对电路工作没有影响。当某种原因(过载或环境温升)使芯片温度上升到某一极限值时,R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高,而T14的发射结电压VBE14下降,导致T14导通,T13也随之导通。调整管T10的基极电流IB10被T13分流,输出电流IO下降,从而达到过热保护的目的。

电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路,以改善温度稳定性。

值得指出的是:当出现故障时,上述几种保护电路是互相关联的。

二、三端可调式集成电路稳压器

前述的78××和79××系列为输出电压固定的三端稳压器。但有些场合要求输出电压具有一定的调节范围,故使用它很不方便。现介绍一种外接很少元件就能工作的三端可调式集成稳压器。它的三个接线端分别称为输入端V1、输出端VO和调整端adj。

图1

以LM317为例,其电路结构和外接元件如图1所示。它的内部电路有比较放大器、偏置电路(图中未画出)、恒流源电路和带隙基准电压VREF等,它的公共端改接到输出端,器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出,内部的基准电压(约1.2V)接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后,输出电压为

LM317的VREF=1.2V,Iadj=50mA,由于调整端电流Iadj<

LM337稳压器是与LM317对应的负压三端可调集成稳压器,它的工作原理和电路结构与LM317相似。

三、应用举例

1、固定式集成电路稳压器

(a) 三端稳压器的典型接法

(b) 带过流保护的扩流电路

图1(a)是应用78L××输出固定电压VO的典型电路图。正常工作时,输入、输出电压差应大于2~3V。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的,可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。C3是电解电容,以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管,当输入端意外短路时,给输出电容器C3一个放电通路,防止C3两端电压作用于调整管的be结,造成调整管be结击穿而损坏。

图1(b)是扩大78L××输出电流的电路,并具有过流保护功能。电路中加入了功率三极管T1,向输出端提供额外的电流IO1,使输出电流IO增加为IO= IO1+ IO2。其工作原理为:

在电路中存在关系式VBE1 =VR1 =VCE3。正常工作时,T2、T3截止,电阻R1上的电流产生压降使T1导通,使输出电流增加。若IO过流(即超过某个限额),则IO1也增加,电流检测电阻R3上压降增大使T3导通,导致T2趋于饱和,使T1管基-射间电压VBE1降低,限制了功率管T1的电流IC1,保护功率管不致因过流而损坏。

2、可调式集成稳压电路

图1(a)所示为三端可调式稳压器的典型应用电路,由LM117和LM137组成正、负输出电压可调的稳压器。为保证空载情况下输出电压稳定,R1和R'1不宜高于240W,典型值为(120~240)W。电路中的V31(或V21)= VREF =1.2V,R2和R'2的大小根据输出电压调节范围确定。该电路输入电压VI分别为±25V,则输出电压可调范围为±(1.2~20)V。

(a) 输出正、负电压可调的稳压电路
(b) 并联扩流的稳压电路

图1(b)为并联扩流的稳压电路,它是用两个可调式稳压器LM317组成。输入电压VI=25V,输出电流IO= IO1+ IO2=3A,输出电压可调范围为(1.2V~22V)。电路中的集成运放741是用来平衡两稳压器的输出电流。例如LM317-1输出电流IO1大于LM317-2输出电流IO2时,电阻R1上的电压降增加,运放的同相端电位VP(=VI –I1R1)降低,运放输出端电压VAO降低,通过调整端adj1使输出电压VO下降,输出电流IO1减小,恢复平衡;反之亦然。改变电阻R4可调节输出电压的数值。

注意这类稳压器是依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线电阻上产生误差电压。

本章小结
l 在电子系统中,经常需要将交流电网电压转换为稳定的直流电压,为此要用整流、滤波和稳压等环节来实现。

l 在整流电路中,是利用二极管的单相导电性将交流电转变为脉动的直流电。为抑制输出直流电压中的纹波,通常在整流电路后接有滤波环节。滤波电路一般可分为电容输入式和电感输入式两大类。在直流输出电流较小且负载几乎不变的场合,宜采用电容输入式,而负载电流大的大功率场合,采用电感输入式。

l 为了保证输出电压不受电网电压、负载和温度的变化而产生波动,可再接入稳压电路,在小功率供电系统中,多采用串联反馈式稳压电路,而中大功率稳压电源一般采用开关稳压电路。如需电压较高或较低,或移动式电子设备中,可采用变换型开关稳压电源

l 串联反馈式稳压电路的调整管是工作在线性放大区,利用控制调整管的管压降来调整输出电压,它是一个带负反馈的闭环有差调节系统;开关稳压电源的调整管是工作在开关状态,利用控制调整管导通与截止时间的比例来稳定输出电压。它的控制方式有脉宽调整型(PWM)、脉频调制型(PFM)及混合调制型。

关键字:集成

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0712/article_10511.html
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