三端集成穩(wěn)壓電源

目前，電子設(shè)備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端式穩(wěn)壓器。這類集成穩(wěn)壓器的外形圖如圖1所示。

78××系列輸出為正電壓，輸出電流可達1A，如78L××系列和78M××系列的輸出電流分別為0.1A和0.5A。它們的輸出電壓分別為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7檔。和78××系列對應(yīng)的有79××系列，它輸出為負(fù)電壓，如79M12表示輸出電壓為–12V和輸出電流為0.5A。

圖1

一、工作原理

現(xiàn)以具有正電壓輸出的78L××系列為例介紹它的工作原理。

圖1

注 圖中R11由輸出電流檔次決定，R12由輸出電壓檔次決定

電路如圖1所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。

（1）啟動電路

在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導(dǎo)通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當(dāng)輸入電壓V1高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導(dǎo)通，同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過DZ2以建立起正常工作電壓，當(dāng)DZ2達到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。與此同時，T2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪聲不致影響基準(zhǔn)電壓源。

（2）基準(zhǔn)電壓電路

基準(zhǔn)電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成，電路中的基準(zhǔn)電壓為

式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓，VBE為T3、D1、D2發(fā)射結(jié)（D1、D2為由發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管）的正向電壓值。在電路設(shè)計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的R1、R2、DZ2與具有負(fù)溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補償，可使基準(zhǔn)電壓VREF基本上不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響。

（3）取樣比較放大電路和調(diào)整電路

這部分電路由T4～T11組成，其中T10、T11組成復(fù)合調(diào)整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T8和T6組成帶恒流源的差分式放大電路；T4、T5組成的電流源作為它的有源負(fù)載。

T9、R9的作用說明如下：如果沒有T9、R9，恒流源管T5的電流IC5=IC8+IB10，當(dāng)調(diào)整管滿載時IB10最大，而IC8最??；而當(dāng)負(fù)載開路時IO=0，IB10也趨于零，這時IC5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接入由T9、R9級成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時，則T9導(dǎo)通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負(fù)擔(dān)，使IC8的變化范圍縮小。

（4）保護電路

減流式保護電路

減流式保護電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護的目的主要是使調(diào)整管（主要是T11）能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設(shè)圖1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即PCPCM并且輸出電流IO在額定值以內(nèi)，流過R11的電流使 =IOR110.6V，T12截止。當(dāng)輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出電流超過極限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時，即當(dāng) >0.6V時，使T12管導(dǎo)通。由于它的分流作用，減小了T10的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PCPCM，才能全面地進行保護。圖1中DZ3、DZ4和R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實現(xiàn)上述保護目的而設(shè)置的。電路中如果（VI–IOR11–VO）>（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，導(dǎo)致T12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。VBE12的值為

經(jīng)整理后得

顯然，（VI –VO）越大，即調(diào)整管的VCE值越大，則IO越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于IO的減小，故上述保護稱為減流式保護。

過熱保護電路

電路由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對電路工作沒有影響。當(dāng)某種原因（過載或環(huán)境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，R3上的壓降隨DZ2的工作電壓升高而升高，而T14的發(fā)射結(jié)電壓VBE14下降，導(dǎo)致T14導(dǎo)通，T13也隨之導(dǎo)通。調(diào)整管T10的基極電流IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達到過熱保護的目的。

電路中R10的作用是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。

值得指出的是：當(dāng)出現(xiàn)故障時，上述幾種保護電路是互相關(guān)聯(lián)的。

二、三端可調(diào)式集成電路穩(wěn)壓器

前述的78××和79××系列為輸出電壓固定的三端穩(wěn)壓器。但有些場合要求輸出電壓具有一定的調(diào)節(jié)范圍，故使用它很不方便?，F(xiàn)介紹一種外接很少元件就能工作的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。它的三個接線端分別稱為輸入端V1、輸出端VO和調(diào)整端adj。

圖1

以LM317為例，其電路結(jié)構(gòu)和外接元件如圖1所示。它的內(nèi)部電路有比較放大器、偏置電路（圖中未畫出）、恒流源電路和帶隙基準(zhǔn)電壓VREF等，它的公共端改接到輸出端，器件本身無接地端。所以消耗的電流都從輸出端流出，內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（約1.2V）接至比較放大器的同相端和調(diào)整端之間。若接上外部的調(diào)整電阻R1、R2后，輸出電壓為

LM317的VREF=1.2V，Iadj=50mA，由于調(diào)整端電流IadjI1，故可以忽略，上式可簡化為

LM337穩(wěn)壓器是與LM317對應(yīng)的負(fù)壓三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器，它的工作原理和電路結(jié)構(gòu)與LM317相似。

三、應(yīng)用舉例

1、固定式集成電路穩(wěn)壓器

(a) 三端穩(wěn)壓器的典型接法

(b) 帶過流保護的擴流電路

圖1（a）是應(yīng)用78L××輸出固定電壓VO的典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應(yīng)大于2～3V。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當(dāng)輸入端意外短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。

圖1（b）是擴大78L××輸出電流的電路，并具有過流保護功能。電路中加入了功率三極管T1，向輸出端提供額外的電流IO1，使輸出電流IO增加為IO= IO1+ IO2。其工作原理為：

在電路中存在關(guān)系式VBE1 =VR1 =VCE3。正常工作時，T2、T3截止，電阻R1上的電流產(chǎn)生壓降使T1導(dǎo)通，使輸出電流增加。若IO過流（即超過某個限額），則IO1也增加，電流檢測電阻R3上壓降增大使T3導(dǎo)通，導(dǎo)致T2趨于飽和，使T1管基-射間電壓VBE1降低，限制了功率管T1的電流IC1，保護功率管不致因過流而損壞。

2、可調(diào)式集成穩(wěn)壓電路

圖1（a）所示為三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路，由LM117和LM137組成正、負(fù)輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器。為保證空載情況下輸出電壓穩(wěn)定，R1和R'1不宜高于240W，典型值為（120～240）W。電路中的V31（或V21）= VREF =1.2V，R2和R'2的大小根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定。該電路輸入電壓VI分別為±25V，則輸出電壓可調(diào)范圍為±（1.2～20）V。

(a) 輸出正、負(fù)電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路

(b) 并聯(lián)擴流的穩(wěn)壓電路

圖1（b）為并聯(lián)擴流的穩(wěn)壓電路，它是用兩個可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317組成。輸入電壓VI=25V，輸出電流IO= IO1+ IO2=3A，輸出電壓可調(diào)范圍為(1.2V～22V)。電路中的集成運放741是用來平衡兩穩(wěn)壓器的輸出電流。例如LM317-1輸出電流IO1大于LM317-2輸出電流IO2時，電阻R1上的電壓降增加，運放的同相端電位VP(=VI –I1R1)降低，運放輸出端電壓VAO降低，通過調(diào)整端adj1使輸出電壓VO下降，輸出電流IO1減小，恢復(fù)平衡；反之亦然。改變電阻R4可調(diào)節(jié)輸出電壓的數(shù)值。

注意這類穩(wěn)壓器是依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的，為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差電壓。

本章小結(jié)
l 在電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，為此要用整流、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。

l 在整流電路中，是利用二極管的單相導(dǎo)電性將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。為抑制輸出直流電壓中的紋波，通常在整流電路后接有濾波環(huán)節(jié)。濾波電路一般可分為電容輸入式和電感輸入式兩大類。在直流輸出電流較小且負(fù)載幾乎不變的場合，宜采用電容輸入式，而負(fù)載電流大的大功率場合，采用電感輸入式。

l 為了保證輸出電壓不受電網(wǎng)電壓、負(fù)載和溫度的變化而產(chǎn)生波動，可再接入穩(wěn)壓電路，在小功率供電系統(tǒng)中，多采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，而中大功率穩(wěn)壓電源一般采用開關(guān)穩(wěn)壓電路。如需電壓較高或較低，或移動式電子設(shè)備中，可采用變換型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

l 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的調(diào)整管是工作在線性放大區(qū)，利用控制調(diào)整管的管壓降來調(diào)整輸出電壓，它是一個帶負(fù)反饋的閉環(huán)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)；開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管是工作在開關(guān)狀態(tài)，利用控制調(diào)整管導(dǎo)通與截止時間的比例來穩(wěn)定輸出電壓。它的控制方式有脈寬調(diào)整型（PWM）、脈頻調(diào)制型（PFM）及混合調(diào)制型。