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，針對典型的線性穩(wěn)壓器存在的問題，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)壓器存在的問題

線性穩(wěn)壓器最主要的缺點(diǎn)是效率低，如對于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)域中不得不采用開關(guān)穩(wěn)壓電源。對于開關(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，一定會開拓出線性穩(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；若含有多輸入端開關(guān)變換器，在穩(wěn)定一端電壓的同時(shí)將會引起負(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％。如果采用肖特基勢壘二極管或工頻同步整流器還會使整流的效率提高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。從輸出特性來看，線性穩(wěn)壓器開啟電壓較高，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電路自身無過流保護(hù)功能，需附加過電流保護(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)電流檢測電阻。因此采用檢測調(diào)整管壓降方式檢測過電流，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0.8V，因此可取過電流保護(hù)閾值電壓為1.2V。當(dāng)過電流或輸出短路時(shí)，調(diào)整管壓降必然增加，并超過整定閾值，使TL431的K端電壓降到飽和值，將MOSFET關(guān)斷。這種過電流保護(hù)電路無自動(dòng)復(fù)位功能，需手動(dòng)復(fù)位。

4 超低壓差穩(wěn)壓器的過電流保護(hù)

常用線性穩(wěn)壓器的過電流保護(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)生的過分損耗，為確保調(diào)整管在過電流保護(hù)時(shí)不損壞，應(yīng)該以過電流保護(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流保護(hù)時(shí)也不致于過大，其典型應(yīng)用如三端集成穩(wěn)壓器，這種過電流保護(hù)方式盡管在諸多場合下很適用，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，容易使過電流的負(fù)載因沒有得到電源的保護(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

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，并且延長了設(shè)備的使用壽命，尤其是對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。對于普通的雙極型調(diào)整管穩(wěn)壓器來說，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。