一種低壓差穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

許劍偉（福建省莆田市秀嶼區(qū)莆田第十中學(xué)，福建莆田　351146）

一種低壓差穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

許劍偉
（福建省莆田市秀嶼區(qū)莆田第十中學(xué)，福建莆田351146）

本文采用通用器件設(shè)計(jì)了一款多功能的低壓差、高精度穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)電池電壓監(jiān)視、自動(dòng)開機(jī)、關(guān)機(jī)等功能。

LDO穩(wěn)壓電源AZ431 自動(dòng)關(guān)機(jī)

在手持儀表中使用的穩(wěn)壓電源，一般要求提高電源利用效率，電路多采用低壓差的穩(wěn)壓芯片。常用的低壓差集成電路，如HT7533等，功能過(guò)于單一，穩(wěn)壓的最大電流偏小、效率也不滿意，常常不能滿足實(shí)際要求。

為此，本文采用分立元件制作線性穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)多種功能，適合單片機(jī)控制。應(yīng)用起來(lái)相對(duì)靈活，效率也比較高。實(shí)現(xiàn)可編程關(guān)機(jī)、開機(jī)、電壓檢測(cè)等功能，實(shí)踐表明，實(shí)現(xiàn)相同功能，本文方案不會(huì)明顯增加元件數(shù)量，甚至更簡(jiǎn)潔。

基本電路：

原理：

AZ431是工業(yè)級(jí)電壓基準(zhǔn)，精度高，噪聲小，很適合于儀表電源穩(wěn)壓。AZ431參考極電壓是2.500V，當(dāng)電壓輕微偏移2.500V，就會(huì)引起陰極很強(qiáng)的電流變化。

電路中，當(dāng)Vout下降時(shí)，AZ431參考極電壓變小，陰極電流變小，A點(diǎn)電壓上升，T2集電極電流增大，T1輸出電流增大，使得Vout回升。這一反饋過(guò)程，使得輸出電壓Vout穩(wěn)定。

圖中，Vout輸出電壓是2.5*（10+2.7）/10=3.18V。因?yàn)锳Z431精度高，所以本電路輸出電壓的設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值相差很小。

AZ431陰極電壓最小為2.5V，最大為36V，須保證電壓在此范圍內(nèi)才可正常工作。設(shè)計(jì)時(shí)，建議A點(diǎn)電壓最小在2.65v以上。

因?yàn)門2的be結(jié)壓降與二極管D1壓降基本一致，所以A點(diǎn)與C電壓比較接近，計(jì)算出C點(diǎn)電壓，就可以估算出A點(diǎn)電壓?？蛰d時(shí)，Vout電壓為3.18V，D1壓降0.58V，得C點(diǎn)電壓為3.18-（3.18-0.58）*1/（5.1+1）=2.75V?？蛰d時(shí)，A點(diǎn)實(shí)測(cè)比C點(diǎn)略小，實(shí)測(cè)為2.72V（此時(shí)T2基極電流非常小，所以T2的be電壓較小，A點(diǎn)電壓稍偏低一點(diǎn)），相反，滿載時(shí)A點(diǎn)電壓比C點(diǎn)電壓略高。

D1的作用是使得T2能以更小基極電壓提升獲得R3、R4支路所能提供的最大下拉電流。T2基極在相同的極限電壓提升下（電壓提升越多，意味著輸入要有更高的電壓支持，影響電源效率），引入D1后可以把R3、R4支路的電流設(shè)計(jì)得更小，起到減小功耗的作用。對(duì)與本電路，當(dāng)A點(diǎn)電壓上升到接近于Vout，R3支路的電流接近于0，R4所提供的下拉電流全部提供給T2，穩(wěn)壓電路獲得最大輸出電流。此時(shí)T2的be結(jié)壓降為0.65V，則R4電流為（3.18-0.65）/5.1=0.5mA，T1放大倍取200，則最大輸出為0.5mA*200=100mA。在最大輸出電流狀態(tài)下，輸入電壓Vin要求在3.7V左右，這因?yàn)锳Z431最小工作電流在0.4mA到1mA，按1mA計(jì)算的話，Vin=A點(diǎn)電壓+R5壓降=3.18+510*0.001=3.7V。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的器件參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于以上估值，實(shí)際在3.5V左右也能獲得100mA的輸出。

此外，D1有一定的溫度補(bǔ)償作用，可以起到防止T2溫漂引起A點(diǎn)電壓不理想。PN結(jié)的溫度系數(shù)約為-0.22mV/度，溫度升高40度，T2 的be結(jié)電壓下90mV左右。本電路A點(diǎn)電壓是2.7V左右，當(dāng)環(huán)境溫度上升較大，T2的be結(jié)電壓可能下降50mV甚至100mV，如果沒有D1補(bǔ)償，A點(diǎn)電壓可能下降到2.6V，這會(huì)使得AZ431的工作點(diǎn)不夠理想。

電路中，負(fù)載為容性，隨頻率升高，反饋電路產(chǎn)生接近90度移相，當(dāng)AZ431內(nèi)部也產(chǎn)生接近90度移相，那么總移相將接近180度，電路容易自激。此類電路，不可避免出現(xiàn)接近90度移相的容性負(fù)載，防止自激的最簡(jiǎn)單方法就是減小環(huán)路增益。

AZ431自激頻率在幾十kHz到幾百kHz范圍，如果在50kHz時(shí)，環(huán)路總增益就已遠(yuǎn)小于1，那么AZ431就不會(huì)自激。按圖中參數(shù)計(jì)算，50kHz下，負(fù)載100uF電容的容抗為0.03歐，反饋增益約為200*0.03歐/1k歐=0.006，此時(shí)，AZ431的增益約為60倍，環(huán)路總增益為0.36。按上術(shù)方法計(jì)算，如果算得增益大于3.6，自激的可能性增加很多，即使調(diào)試時(shí)不自激，批量制作時(shí)也可能部分出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

擴(kuò)展應(yīng)用：

1.如下圖，再加入T3、T4等輔助元件，就可以實(shí)現(xiàn)一鍵起動(dòng)電源以及單片機(jī)控制下自主關(guān)機(jī)功能。

按下“啟動(dòng)”鍵，T3就能夠給AZ431提供陰極電流，穩(wěn)壓電源開始工作，單片機(jī)獲電工作，由單片機(jī)將圖中的“繼流”端子下拉到零電平左右，T3、T4導(dǎo)通，繼續(xù)給AZ431提供電流，即使斷開“啟動(dòng)”鍵，電源仍然穩(wěn)定工作。實(shí)際上，圖中的5.1k繼流電阻，改用10k或50k也可以正常工作，而且更省電。

如果需要定時(shí)關(guān)機(jī)，則由單片機(jī)放開繼流端子，穩(wěn)壓電源停止工作。停止后，輸入電流接近于0，遠(yuǎn)小于1uA

電路中還利用5.1k電阻提取出按鍵信號(hào)，單片機(jī)可以識(shí)別并充分利用此鍵，以減小按鍵數(shù)量。

2.如下圖，電路中增加了兩個(gè)100k歐取樣電阻，從T3的集電極采樣電壓，送入單片機(jī)的電壓測(cè)量端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源（電池）電壓的監(jiān)控，方便我們對(duì)電池剩余容量分析。

電壓取樣不是直接從電池上獲得，有小量偏差，計(jì)算時(shí)應(yīng)補(bǔ)上T3 的ce壓差，大約是0.01v。如，測(cè)值3.5V，那么電池電壓應(yīng)為3.5+0.01=3.51V

當(dāng)電源停止工作后，取樣電阻不消耗電能。

對(duì)于鋰電池，電壓低于3.7V，說(shuō)明電池已失去大部分電能，低于3.5V，電量將極速耗盡。

在某些應(yīng)用中，要求設(shè)備間歇式工作，以進(jìn)一步減小功耗，這時(shí)，就可以利用定時(shí)芯片（如PCF8563）來(lái)啟動(dòng)這個(gè)穩(wěn)壓電源。定時(shí)器將圖中左邊的100k電阻下拉即可啟動(dòng)電源，若要關(guān)閉電源則由單片機(jī)斷開“續(xù)流”端子，并取消定時(shí)器中斷。

總結(jié)：

本電路采用通用器件，取材容易，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)一些特殊應(yīng)用的要求。穩(wěn)壓精度、紋波抑制等指標(biāo)均比較滿意，適合3.7V鋰電池供電穩(wěn)壓電源應(yīng)用。