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(dá)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(duì)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(dòng)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(hù)電路等部分組成。下面對(duì)各部分電路作簡單介紹。

（1）啟動(dòng)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(dòng)電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動(dòng)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(shí)，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導(dǎo)通，同時(shí)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(dá)到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個(gè)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，電路啟動(dòng)完畢。與此同時(shí)，T2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止，切斷了啟動(dòng)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(jì)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(bǔ)償，可使基準(zhǔn)電壓VREF基本上不隨溫度變化。同時(shí)，對(duì)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(dòng)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(shí)IB10最大，而IC8最??；而當(dāng)負(fù)載開路時(shí)IO=0，IB10也趨于零，這時(shí)IC5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對(duì)比較放大電路來說是不允許的，為此接入由T9、R9級(jí)成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時(shí)，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時(shí)，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(hù)電路

減流式保護(hù)電路

減流式保護(hù)電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護(hù)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(shí)，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(shí)，輸出電流超過極限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時(shí)，即當(dāng) >0.6V時(shí)，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(hù)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(jìn)行保護(hù)。圖1中DZ3、DZ4和R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)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(hù)稱為減流式保護(hù)。

過熱保護(hù)電路

電路由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時(shí)，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對(duì)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(shí)，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(dá)到過熱保護(hù)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(shí)，上述幾種保護(hù)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(chǎng)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。現(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(gè)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(duì)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(hù)的擴(kuò)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(shí)，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(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)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(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)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(kuò)大78L××輸出電流的電路，并具有過流保護(hù)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(shí)，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(gè)限額），則IO1也增加，電流檢測(cè)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(hù)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(kuò)流的穩(wěn)壓電路

圖1（b）為并聯(lián)擴(kuò)流的穩(wěn)壓電路，它是用兩個(gè)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(yùn)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(shí)，電阻R1上的電壓降增加，運(yùn)放的同相端電位VP(=VI –I1R1)降低，運(yùn)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(shí)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(shí)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(dòng)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(chǎng)合，宜采用電容輸入式，而負(fù)載電流大的大功率場(chǎng)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(dòng)，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(dòng)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(gè)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(shí)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。