基于運算放大器的穩(wěn)壓器設計

通過使用通用運算放大器 (op-amp) 和一些其他外部組件，可以設計出能夠提供出色性能并特別適合為低功率負載供電的線性穩(wěn)壓器。

“ ”This is another article of series about the design of power supply. We will analyze several hardware and simulation aspects. Here is the previous article. Enjoy!

大多數(shù)情況下，線性穩(wěn)壓器使用閉環(huán)控制來保持輸出電壓恒定。今天，市場上有幾種線性穩(wěn)壓器可供選擇：有些具有固定的輸出電壓，有些具有可通過分壓器調(diào)節(jié)的輸出電壓。還有負輸出電壓的穩(wěn)壓器。最后，即使輸入值非常接近輸出值，低壓差輸出(LDO) 穩(wěn)壓器也能調(diào)節(jié)電壓。

示意圖

圖 1所示電路不僅執(zhí)行穩(wěn)壓器的功能，而且可以產(chǎn)生誤差小于 1% 的穩(wěn)定輸出電壓。該電路由未調(diào)節(jié)的直流電壓供電，并使用放置在反饋回路中的射極跟隨器配置的晶體管 (Q 1 )。該晶體管具有供給有電流大于僅具有運算放大器可獲得的最大負荷的任務，而齊納二極管(在的例子中圖1，V ? = 12V)提供輸入?yún)⒖茧妷篤 REF的運算放大器 電阻器 R 1大小可以極化齊納二極管，使其保持在反向傳導區(qū)域。運算放大器用作電壓比較器：在同相輸入端是參考電壓VREF(之所以這么稱呼是因為它在輸入電壓變化時保持穩(wěn)定)，而在反相輸入端是將在反相輸入端產(chǎn)生的電壓輸出。

圖 1：帶運算放大器的線性穩(wěn)壓器

運算放大器輸出電壓 V OP-AMP可以計算如下：

V OP-AMP = A × (V NON-INV – V INV )

其中V NON-INV和V INV分別是同相和反相輸入端的電壓，而A是運算放大器開環(huán)增益。理論上，A具有無限值，但實際上，最常見的運算放大器的值在 100,000 到 1,000,000 之間。

如何改變輸出電壓

在圖 1的電路中，輸出電壓等于施加到運算放大器同相輸入端的參考電壓?？梢酝ㄟ^兩種不同的方式獲得不同的輸出電壓值，但取決于齊納 V Z電壓。第一個涉及將可變分壓器與齊納二極管并聯(lián)，將其中央插座連接到運算放大器的同相輸入端。第二種方法是指圖 2中所示的同相運算放大器方案，與圖 1中的電路使用的配置相同。由電阻器 R 1和 R 2 構(gòu)成的分壓器是這樣的：

V OUT = V IN × ((R 1 + R 2 )/R 1 )

圖 2 基于運算放大器的穩(wěn)壓器

一個例子如圖 3所示：在這種情況下，齊納二極管提供的參考電壓等于 5V，而輸入電壓等于 15V。利用圖 3所示的值，我們得到：

V OUT = 5 × ((10K + 10K)/ 10K)V = 10V

圖 3：線性降壓穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器：優(yōu)缺點

線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是成本低且易于使用。市場上可用的線性穩(wěn)壓器是高度集成的器件，引腳數(shù)量減少：這使設計人員能夠使用很少的外部組件輕松創(chuàng)建電源。此外，它們對負載電壓的變化提供快速響應，產(chǎn)生幾乎完全無紋波的輸出電壓。與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，線性穩(wěn)壓器不受高頻開關(guān)產(chǎn)生的噪聲的影響。線性穩(wěn)壓器的主要缺點是效率低下，這主要是由于晶體管 Q 1 的功耗過大，其工作在線性區(qū)域。因為效率由 V OUT /V IN 給出因此，圖 3中的電路的效率等于 10 V/15 V = 66.6%，因此，33.4% 的能量以熱量的形式耗散。因此有必要提供適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)，例如 PCB 上的散熱器或散熱層，由銅或其他金屬制成。

審核編輯：湯梓紅