超低壓差穩(wěn)壓技術(shù)

摘要：分析了線性穩(wěn)壓器效率低的根本原因，針對(duì)典型的線性穩(wěn)壓器存在的問(wèn)題，提出一種線性超低壓差穩(wěn)壓技術(shù)。

關(guān)鍵詞：MOSFET 超低壓差 穩(wěn)壓器 死區(qū)電壓 調(diào)整管

1 引言

線性穩(wěn)壓電源曾以優(yōu)異的性能，便宜的價(jià)格，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到各種儀器中，而穩(wěn)壓器性能的好壞將直接影響到儀器性能的優(yōu)劣。盡管用雙極型調(diào)整管構(gòu)成的線性低壓穩(wěn)壓器的性能比較優(yōu)良，但還存在若干不盡人意之處。

2 線性穩(wěn)壓器存在的問(wèn)題

線性穩(wěn)壓器最主要的缺點(diǎn)是效率低，如對(duì)于5V輸出型在交流電源電壓波動(dòng)±20％的條件下，在電源電壓最高時(shí)和標(biāo)稱值時(shí)的效率分別不高于27％和33％。而相同規(guī)格的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率則可達(dá)70％。因此，在很多領(lǐng)域中不得不采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，最大的缺點(diǎn)是尖峰與電磁干擾（EMI），如果能將線性穩(wěn)壓電源的效率提高到與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源相當(dāng)?shù)乃?，將?yōu)異的穩(wěn)壓性能、較高的電源效率和可靠性集于一體，一定會(huì)開(kāi)拓出線性穩(wěn)壓電源應(yīng)用的更加廣泛的領(lǐng)域。

線性穩(wěn)壓電源的效率低，主要原因是調(diào)整管的最小壓差、整流效率、整流變壓器效率、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、整流濾波后的高幅值紋波（通常5V到8V甚至更高）等的影響。雙極型功率管導(dǎo)通死區(qū)電壓較高，一般為（2.5～4）V，致使穩(wěn)壓器在低壓差甚至超低壓差時(shí)不能工作。正常工作電流較大時(shí)，穩(wěn)壓器效率較低、耗能較大；采用多極放大，需要深度補(bǔ)償，從而影響響應(yīng)速度，令穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性能下降；若含有多輸入端開(kāi)關(guān)變換器，在穩(wěn)定一端電壓的同時(shí)將會(huì)引起負(fù)載電流的變化及其他輸出端電壓的改變?；诰€性穩(wěn)壓器的以上缺點(diǎn)，本文提出一種MOSFET超低壓差穩(wěn)壓器，從根本上改善了穩(wěn)壓器的性能。

3 超低壓差穩(wěn)壓技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在超低壓差整流電路中，橋式整流電路是不可取的，因?yàn)檫@種電路較雙半波整流電路效率低約10％。如果采用肖特基勢(shì)壘二極管或工頻同步整流器還會(huì)使整流的效率提高5％～10％。

提高穩(wěn)壓器性能的根本途徑在于使穩(wěn)壓器能夠在較低電壓差時(shí)具有穩(wěn)壓能力。常規(guī)線性穩(wěn)壓電路由于器件和電路自身的限制，調(diào)整管的最小壓差一般為4V。5V輸出的穩(wěn)壓電路中，由此導(dǎo)致的效率不會(huì)高于55％，或損耗為4W/A。因此減小調(diào)整管最小壓差成為限制線性穩(wěn)壓電源發(fā)展的主要焦點(diǎn)，目前3A以下輸出的低壓差線性集成穩(wěn)壓器可使最小輸入輸出壓差減少到0.5V。這樣由于調(diào)整管的最小壓差造成的損耗減小到0.5W/A。而更高的輸出電流和更低的輸入輸出壓差，須選擇合適的穩(wěn)壓電路形式和調(diào)整管。如采用UC3832高精度線性穩(wěn)壓電路控制IC和低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET，可使最小輸入輸出壓差為0.2V。為盡可能減小輸入輸出壓差，作者采用極低導(dǎo)通電阻（5mΩ）的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可在15A輸出時(shí)僅有約100mV的壓降，連同電流檢測(cè)電阻的壓降（100mV），整個(gè)穩(wěn)壓電路的最小輸入輸出壓差為200mV，是目前所有線性穩(wěn)壓電路中最低的，效率可達(dá)96％。穩(wěn)壓器在正常工作時(shí)電流較小，可以減小能量損失，提高效率，因此選擇MOSFET作為穩(wěn)壓器的主要器件。

（1）從MOSFET的輸出特性來(lái)看，MOSFET呈電阻性，其驅(qū)動(dòng)電流靜態(tài)幾乎為零，致使電流對(duì)應(yīng)的漏－源電壓為零，且低額定電壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻很低（數(shù)至數(shù)十毫歐)，因而最低工作電壓極低，可以達(dá)到0.1V或更低，工作壓降在（0.1～0.2）V即可正常工作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。從輸出特性來(lái)看，線性穩(wěn)壓器開(kāi)啟電壓較高，雙極型晶體管2N3055的死區(qū)電壓為0.25V，TIP100的死區(qū)電壓達(dá)到（1～1.5）V，即便使用低壓差輸出，最低工作壓降也將達(dá)到0.6V左右，如圖1所示。雙極型穩(wěn)壓器相當(dāng)一個(gè)可調(diào)電壓源，而MOSFET可視為一個(gè)可調(diào)電阻。并且MOSFET內(nèi)部的反向二極管在反向偏置電壓時(shí)能夠起到保護(hù)的作用。而雙極型穩(wěn)壓器若想實(shí)現(xiàn)以上功能，就必須外接反向二極管。這雖然可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，但卻使電路復(fù)雜化，不僅增大了整個(gè)穩(wěn)壓器的尺寸，同時(shí)也增大了誤差，降低了效率和準(zhǔn)確度。

（2）以MOSFET為主要器件的穩(wěn)壓器，為一級(jí)放大，因此具有更好的穩(wěn)定性。而由雙極型功率管制成的穩(wěn)壓器的基極電流較大，工作點(diǎn)接近飽和區(qū)工作，因此穩(wěn)定性不好。

（3）以多數(shù)載流子工作的MOSFET，其暫態(tài)響應(yīng)速度比相應(yīng)以少數(shù)載流子導(dǎo)電的雙極型晶體管快，通過(guò)圖2不難看出，MOSFET的輸出誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙極型調(diào)整管穩(wěn)壓器。MOSFET的瞬時(shí)過(guò)載性能優(yōu)越，瞬時(shí)電流可達(dá)到額定電流的4倍而不損壞；對(duì)于普通的雙極型晶體管，最高瞬時(shí)電流僅能夠達(dá)到其額定電流的1.5倍。

對(duì)于N溝道的MOSFET，在高速轉(zhuǎn)換時(shí)需要約10V的正向偏壓，因?yàn)镸OSFET的輸入電流低，在電容充電過(guò)程中，可產(chǎn)生足夠的自偏壓，電路的輸入電壓與電流呈線性關(guān)系，輸入電壓降低，穩(wěn)壓器的柵源電壓就降低。如圖3為MOSFET的接線圖，圖4為穩(wěn)壓時(shí)的比較圖。

對(duì)于P溝道的MOSFET，如圖5所示，此電路的工作點(diǎn)只能在線性區(qū)。

用MOSFET做調(diào)整管，當(dāng)額定電壓低于100V時(shí)MOSFET的導(dǎo)通壓降低于雙極型晶體管。如采用SMP60N03（30V、5mΩ）做為調(diào)整管，在輸出電流為10A、最低管壓降在200mV時(shí)仍能有效地穩(wěn)壓。使這一項(xiàng)造成的損耗降到0.2W/A。其穩(wěn)壓原理如下：輸出電壓經(jīng)R3、R4分壓送到TL431的R端與TL431內(nèi)部的2.5V精密基準(zhǔn)比較放大后，在K端正輸出，控制MOSFET的柵極電壓，調(diào)節(jié)其漏極電流實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。如輸出電壓高于額定值，TL431輸出端電壓下降，使MOSFET的柵極電壓下降，漏極電流將小于負(fù)載電流，這時(shí)輸出濾波電容器向負(fù)載放電提供MOSFET輸出的不足部分，使輸出電壓下降回到額定值。

圖5電路自身無(wú)過(guò)流保護(hù)功能，需附加過(guò)電流保護(hù)電路。由于超低壓差穩(wěn)壓，并且大電流輸出，為確保高效率，不允許在主電路中串聯(lián)電流檢測(cè)電阻。因此采用檢測(cè)調(diào)整管壓降方式檢測(cè)過(guò)電流，由于采用了預(yù)穩(wěn)電路，可確保負(fù)載正常時(shí)調(diào)整管壓降不超過(guò)0.8V，因此可取過(guò)電流保護(hù)閾值電壓為1.2V。當(dāng)過(guò)電流或輸出短路時(shí)，調(diào)整管壓降必然增加，并超過(guò)整定閾值，使TL431的K端電壓降到飽和值，將MOSFET關(guān)斷。這種過(guò)電流保護(hù)電路無(wú)自動(dòng)復(fù)位功能，需手動(dòng)復(fù)位。

4 超低壓差穩(wěn)壓器的過(guò)電流保護(hù)

常用線性穩(wěn)壓器的過(guò)電流保護(hù)方式主要有：限流型、減流型和截止型三種。

限流型的輸出特性如圖6所示。它的特點(diǎn)是：負(fù)載電流達(dá)到限流值，穩(wěn)壓電源進(jìn)入恒流狀態(tài)，負(fù)載電流被限制在限流值。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，并且可以全載起動(dòng)。這種電路的最大缺點(diǎn)是：在過(guò)電流保護(hù)狀態(tài)下，調(diào)整管將承受限流值與壓差所產(chǎn)生的過(guò)分損耗，為確保調(diào)整管在過(guò)電流保護(hù)時(shí)不損壞，應(yīng)該以過(guò)電流保護(hù)狀態(tài)下的功率損耗作為選擇調(diào)整管和熱設(shè)計(jì)的依據(jù)，這將使穩(wěn)壓器的成本、體積和重量增加、可靠性降低。

減流型（又稱折返型）的輸出特性如圖7所示。它的特點(diǎn)是：穩(wěn)壓電源進(jìn)入過(guò)電流保護(hù)區(qū)，它的輸出特性為圖中的區(qū)域Ⅱ，即輸出電流隨輸出電壓而減小，可使調(diào)整管的損耗即使在過(guò)流保護(hù)時(shí)也不致于過(guò)大，其典型應(yīng)用如三端集成穩(wěn)壓器，這種過(guò)電流保護(hù)方式盡管在諸多場(chǎng)合下很適用，但在全載恒流特性和大多數(shù)模擬及數(shù)字電路的電源特性下（如圖8）可能會(huì)產(chǎn)生“鎖定”（Latchup）效應(yīng)，即輸出電壓被鎖定在低于正常穩(wěn)壓值的低電壓上不能正常起動(dòng)。

為確保沖擊性負(fù)載或全載恒流起動(dòng)，必須將過(guò)流保護(hù)點(diǎn)和正常最大工作電流間設(shè)置較大的裕量，容易使過(guò)電流的負(fù)載因沒(méi)有得到電源的保護(hù)而燒壞。

截止型的輸出特性如圖9。其特點(diǎn)是：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電路使穩(wěn)壓電源進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，并不再恢復(fù)，使穩(wěn)壓電源與負(fù)載得到有效的保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是這時(shí)的調(diào)整管的功耗為零。而其最大缺點(diǎn)是在沖擊性負(fù)載時(shí)容易誤動(dòng)作使穩(wěn)壓電源進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，而且一旦進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)后，既使過(guò)電流狀態(tài)解除，也不能自動(dòng)復(fù)位。

5 超低壓差穩(wěn)壓技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于利用電池供電的用電器，電池和穩(wěn)壓電路性能的好壞將直接影響用電器的使用性能，采用超低壓差穩(wěn)壓技術(shù)，可以在同樣的條件下，達(dá)到更長(zhǎng)的穩(wěn)定工作的時(shí)間，如圖10所示的電池放電的特性曲線，對(duì)于同樣的用電器，使用線性調(diào)整管穩(wěn)壓器的電池壽命將遠(yuǎn)小于使用MOSFET的超低壓差穩(wěn)壓器，使用超低壓差穩(wěn)壓器的電池壽命大約是使用雙極型調(diào)整管穩(wěn)壓器的電池壽命的3倍左右。

6 結(jié)語(yǔ)

MOSFET在穩(wěn)壓器中的使用，大大提高了產(chǎn)品的可靠性和效率。同時(shí)減小了設(shè)備和儀器的尺寸和重量，并且延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，尤其是對(duì)于使用電池作為電源的設(shè)備，更是極大地提高了它的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。對(duì)于普通的雙極型調(diào)整管穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，輸入輸出電壓降到（0.2～0.6）V時(shí)，其工作效率將大大地降低；而MOSFET卻能夠在幾十毫伏下正常工作，因而降低了輸入電壓，減小了波紋電壓，提高了產(chǎn)品壽命。