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          三端集成穩壓器擴流方法分析

          作者:(www.beer17.com) 發布于:2015/3/13 12:41:05 點擊量:

          三端集成穩壓器擴流方法分析

          在電子電路中,直流穩壓電源是其中必不可少的部分。線性穩壓電源由于其穩壓性能好,輸出紋波電壓小,電路簡單,成本低廉等優點應用普遍。線性穩壓電源中的穩壓部分大多由三端集成穩壓器來實現。通過其將不穩定的直流電壓轉換成穩定的直流電壓輸出。

          三端集成穩壓器一般可分為固定式輸出和可調式輸出兩種類型。三端集成穩壓器的芯片只引出三個端子,分別接輸入端、輸出端和公共端(或調整端),基本上不需外接元件,而且內部都有限流保護、過熱保護和過壓保護電路,使用十分安全、方便。

          三端集成穩壓器的最大輸出電流為 ,與產品型號有關,具體的有0.1A,0.3A,0.5A,1.0A,1.5A,3A,5A和10A等幾種。在實際使用中,如果所需穩壓電路的輸出電流超過三端集成穩壓器的最大輸出電流,就需要在原來基礎上設計擴流電路來擴展輸出電流。本文以三端可調式穩壓器LM317K擴流為例來說明三端集成穩壓器擴流的方法,并通過具體電路對其進行深入分析。

          1 LM317K工作原理

          LM317K是一種三端可調式穩壓器,其輸出電壓的范圍為 ,其最大輸出電流為1.5A。其典型的應用電路如圖1所示。

          圖1 LM317K典型應用電路

          在圖1中, 和 為取樣電阻。輸出電壓的計算公式為

          (1)

          式(1)中, [1]。因此,當 =0V時, ;當 時, 。

          的取值方法有兩種:一種是取 ,此時的LM317K的最小負載電流 , 選用6.8k 的可調電阻;另一種是取 , , 可選3.4k 的可調電阻。上述兩種取值下調整 時均可得到 的穩壓輸出。 和 的作用是消除輸入端和輸出端可能產生的自激振蕩, 的作用是濾除 兩端的紋波, 和 為保護二極管,防止輸入端或輸出端發生短路故障時對LM317K內部放電而損壞芯片[2]。

          若使用中需要LM317K構成的穩壓電路最大可輸出3A的電流,則可通過下面介紹的幾種方法來實現擴流。

          2 擴流的方法

          目前,三端集成穩壓器擴流的方法主要有晶體管擴流、電阻擴流和并聯擴流三種。

          2.1 晶體管擴流

          這種方法主要是通過在穩壓電路中接入大功率晶體管來實現。

          (1) NPN晶體管

          這是一種經常使用的方法,在穩壓電路的輸入端和輸出端之間接入一NPN型大功率晶體管,如圖2所示。

          圖2 外接NPN晶體管擴展輸出電流電路

          負載所需的大電流由大功率晶體管T來提供,而晶體管的基極由三端集成穩壓器輸出端來驅動。

          由圖2可見,經過擴流后的穩壓電路輸出電壓值已經發生了變化, , 是三端集成穩壓器的固有輸出電壓值, 是外接T的發射結壓降值,因此采用這種方法擴流后的穩壓器輸出電壓值比原來固有的輸出電壓值降低了。為了克服擴流后輸出電壓值下降的弊端,可將圖2電路做改進,如圖3所示。

          圖3 圖2改進電路

          圖3中接入了一個二極管D,用以補償晶體管發射結電壓 ,使電路的輸出電壓 基本上等于三端集成穩壓器的輸出電壓 。只要適當選擇二極管的型號,并通過調節電阻

          的阻值以改變流過二極管的電流,即可得到 ,此時,由圖3可見

          同時,接入二極管D也補償了溫度對三極管 的影響,使輸出電壓比較穩定[3]。

          這種直接接入NPN型大功率晶體管擴流的方法較為常用,但由于LM317K內部電路限制,LM317K不直接配NPN型大功率晶體管。

          (2) PNP晶體管

          LM317K適合于PNP型大功率晶體管,用PNP型大功率晶體管擴流的電路如圖4所示,將PNP型大功率晶體管的基極改接入三端集成穩壓器的輸入端,因此不再影響三端集成穩壓器固有的輸出電壓值,即 。

          圖4 外接PNP型大功率晶體管擴展輸出電流的電路

          圖4中的電阻R是三端集成穩壓器的泄流電阻,作用是使三端集成穩壓器的靜態電流不再流過外接擴流晶體管T的基極。因為三端集成穩壓器的所有偏置電流與調整端電流都從輸入端流入,若全部流經T的基極,并經過T的放大,那么三端集成穩壓器的輸出端將需加接假負載來泄放這些對真正的負載無用的電流。R的選取原則是:

          (2)

          其中: 為三端集成穩壓器的靜態工作電流,其值約為10mA,設計中一般設定最小輸出電流約為數十毫安,因而R的選值約為幾歐姆即可[4]。在此可選擇R為3.3 。

          經擴展后的輸出電流 。當 時,僅LM317K工作;當 時,LM317K和外接PNP型大功率晶體管一起工作。

          (3) NPN+PNP晶體管

          若使用中遇到要求必須用NPN型晶體管來擴大LM317K輸出電流的情況,則可通過增加一只PNP型驅動管與之配合來達到擴流的要求,電路如圖5所示。

          圖5 外接NPN配合PNP大功率晶體管擴展輸出電流的電路

          晶體管擴流的方法應用較為廣泛,擴流較為靈活,在擴流時選擇使用何種類型的大功率晶體管根據所使用的三端集成穩壓器的型號和類型來決定。但晶體管擴流法會降低穩壓精度,增加穩壓器的輸入和輸出電壓之差,這對大電流的工作的電源是不利的[5]。

          三端集成穩壓器內部都有安全保護功能,但外接的擴流晶體管卻沒有任何保護措施,在實際使用中,為了防止輸出端短路或其他原因引起輸出電流過大而損壞擴流晶體管,需要在電路中增加限流保護電路。

          2.2 電阻擴流

          這種方法是在三端集成穩壓器的輸入端和輸出端之間加入一個電阻R來實現擴流目的,如圖6所示。

          圖6 外接電阻擴展輸出電流的電路

          在圖6中,要擴大的電流 與所選的電阻R關系為:

          (3)

          如前所述,要將LM317K最大輸出電流擴展至3A,即要擴大的電流為1.5A,若 =24V, =12V,則按上式計算可得R=8 ,可取標稱值8.2 。此時,最大的負載電流

          (4)

          其中: 為三端集成穩壓器的最大輸出電流[6]。

          由式(4)可知,該電路的最小負載電流為 。

          因此,使用電阻擴流法需要注意的是:

          ⑴ 輸入電壓 必須穩定。若 不穩定,則 也不穩定,則輸出電流必然不穩定。

          ⑵ 負載的最小電流必須大于等于 。

          在圖6中,LM317K經電阻擴流后,要求負載電流必須滿足: 。而LM317K標稱的最小負載電流為30mA,擴流后電路的最小負載電流比擴流前大得多。

          由此可見,電阻擴流的方法一般適合于小電流擴流,當需要擴展的電流較大,輸入輸出壓差較大時,R的功耗也較大。

          2.3 并聯擴流

          如果所需擴展的電流較大時,可以采用將幾片三端集成穩壓器并聯使用來達到擴流的目的,但不能直接并聯使用,在并聯時應注意使各片三端集成穩壓器的輸出電流都能維持在平衡狀態。將LM317K最大輸出電流擴大至3A的并聯擴流電路如圖7所示。

          圖7 并聯擴展輸出電流的電路

          在圖7中, 用來平衡兩片LM317K的輸出電流。改變 的值即可調節輸出電壓。LM317K(1)和LM317K(2)的輸入端分別串接入 的電流取樣電阻 和 。當LM317K(1)的輸出電流增大時, ↑→ ↑,給 的同相輸入端加一個信號,使其輸出電壓降低, ↓→ ↓→ ↓,維持 。反之,當 ↑→ ↑時,就給 的反向輸入端加一個信號,使 ↑→ ↑→ ↑,仍保持 。這樣,兩片LM317K的輸出電流總維持平衡狀態[7]。

          通過并聯擴流的方法來擴展輸出電流時,擴展的輸出電流必須成倍增加。擴流的同時,也要成倍的增加三端集成穩壓器的數目,電路的成本增加。但并聯擴流法穩壓精度高,在實現大電流擴展時較為方便。

          3 結束語

          本文以LM317K為例介紹了三端集成穩壓器的三種擴流方法,并對其進行了深入的分析和比較。晶體管擴流法應用最為廣泛,擴流較為靈活,選擇合適的大功率晶體管最為關鍵,需要設計限流保護電路,但穩壓精度會降低。電阻擴流法方法最為簡單,實現較為方便,但輸出負載電流的范圍有限制,一般只適合于小電流擴流的場合,尤其是輸出固定的三端集成穩壓器使用較為方便。并聯擴流法的穩壓精度高,功耗小,但成本增加,且需要考慮并聯的三端集成穩壓器輸出電流的平衡問題,可方便的實現大電流擴流。在實際應用中,可根據擴流的大小和使用的三端集成穩壓器的型號來選擇合適的擴流方法。


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