CN214586613U

CN214586613U - 一种低电压降落的线性稳压电源

Info

Publication number: CN214586613U
Application number: CN202120538961.3U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔燚
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2031-03-16

Abstract

本实用新型公开了一种低电压降落的线性稳压电源，包括不稳电源电路、滤波电路、串联调整管电路、误差放大器电路、基准源电路、反馈电阻网络电路组成；所述误差放大器电路由IC1构成，所述滤波电路由电解电容C2构成，电解电容C2的负极连接工作地，所述不稳电源Uin同时连接电容C2的正极、IC1的7脚、所述串联调整管电路晶体管T1的发射极，T1的基极连接IC1的输出端，T1的集电极依次通过电阻R1、反接的稳压管D1连接工作地，T1的集电极同时依次通过电阻R2、R3连接工作地，电阻R1、稳压管D1的连接点连接IC1的反相输入端，电阻R2、R3的连接点连接IC1的同相输入端，晶体管T1的集电极输出稳定的电压。

Description

一种低电压降落的线性稳压电源

技术领域

本实用新型涉及一种线性稳压电源技术，尤其一种不稳输入电源与稳定输出电源只有极低电压差的线性稳压电源。

背景技术

稳压电路是指在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压，按调整管的工作状态分为线性稳压电源和开关稳压电源，线性稳压电源的结构一般是串联式稳压电源。

开关稳压电源是调节高频交流脉冲的占空比或频率通过储能元件电感电容来调整输出电压，开关稳压电源的优点是电压转换效率高,缺点是输出纹波较大，有时会对电路产生高频干扰。

当***中输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用线性稳压器，尽管电池最后放电能量的百分之十可能没有使用，但是线性稳压器仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

线性串联式稳压电源是通过调节调整管的动态电阻来调整输出电压,线性稳压电源的优点是输出纹波小。

但普通线性稳压器的严重缺点是输入、输出之间电压降落过大，在输入输出压差大的情况下稳压器的转换效率非常低,发热严重，如三端稳压78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。

设计一款输入、输出之间低电压降落的线性稳压电源，由于较低功率的晶体管其饱和电压降落可以低到0.3V，故我们设计的稳压电源其不稳输入电压比所要求的输出电压仅需高出0.35V即可，这款电源具有较高的转换效率。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的低压降线性稳定电源的技术。

为实现上述目的，本实用新型提供一种低电压降落的线性稳压电源，其包括不稳电源电路、滤波电路、串联调整管电路、误差放大器电路、基准电压源电路、反馈电阻网络电路组成；所述误差放大器电路由IC1构成，所述滤波电路由电解电容C2构成，电解电容C2的负极连接工作地，所述不稳电源Uin同时连接电容C2的正极、IC1的7脚、所述串联调整管电路晶体管T1的发射极，晶体管T1的基极连接IC1的输出端，所述基准电压源电路由电阻R1连接稳压二极管D1构成，所述反馈电阻网络电路由电阻R2连接电阻R3构成，T1的集电极依次通过电阻R1、反接的稳压管D1连接工作地，T1的集电极同时依次通过电阻R2、R3连接工作地，电阻R1、稳压管D1的连接点连接IC1的反相输入端，电阻R2、R3的连接点连接IC1的同相输入端，晶体管T1的集电极输出稳定的电压。

所述误差放大器电路，IC1的1脚通过电容C1连接IC1的8脚。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是传统线性串联式稳压电源原理图；附图2是传统线性稳压器的最大效率与U_O/Uin之比的关系；附图3是低电压降落的线性稳压电源电气原理图。

具体实施方式

传统线性串联式稳压电源的结构

由于本文所设计的稳压电源同样属于线性稳压电源，故有必要首先介绍传统线性串联式稳压电源的结构，以作为比较，传统线性稳压电源电路结构如图1所示。

图1是一种非常成熟的传统线性稳压电源电路，工作原理不再赘述，这种传统线性稳压器的最大效率与U_O/U_IN之比成比例，如图2所示。

由图2可以看出，当输入为12V且输出为3.3V时，传统线性稳压器的效率仅为27.5%.在此场合中，82.5%的输入功率完全浪费掉了，并在稳压器中产生了热量。这意味着晶体管必须具备在最坏情况下（最大U_in和满负载）处理其功率/热耗散的热能力。因此，传统线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是在U_O远远低于U_in的时候。

另一方面，线性稳压器可以在U_O接近U_in的情况下具有非常高的效率，然而，普通线性稳压器存在另一个局限性，即U_in和U_O之间的最小电压差，要求晶体管T必须在其线性模式中运作，如图1。

于是，其在双极型晶体管的集电极至发射极两端或FET的漏极至源极两端需要一个确定的最小电压降。当U_O过于接近U_in时，传统线性稳压器也许不再能够调节输出电压。

另外，还有一个明显之处就是线性稳压器包括本文设计的稳压电源只能提供降压DC/DC转换。在那些要求U_O电压高于U_in电压，或者需要从一个正U_in电压产生负U_O电压的应用中，线性稳压器显然是不起作用的。

低电压降落的线性稳压电源电气原理

低电压降落的线性稳压电源电气原理如图3所示，由串联调整管电路、误差放大器电路、基准源电路、反馈电阻网络电路组成，调整管的发射极连接输入电源、集电极连接反馈电阻网络电路，基准源电压与反馈电阻网络形成的反馈电压分别连接误差放大器的反相端和同相端。

可以看到图3与图1所示的普通线性稳压电源在结构方面非常相像，但仔细观察，二者还是有所区别，调整管（如图3中T₁）的选型与连接结构与图1不一样。普通稳压器一般用NPN管或NPN复合调整管作为调整管，本文设计的低压差稳压器以PMOS晶体管或PNP晶体管作为调整管。

对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流，其中PNP晶体管优于NPN晶体管，因为PNP晶体管的基极可以与地连接，必要时可以使晶体管完全饱和，较低功率的晶体管其饱和电压降落可以低到0.3V。NPN晶体管的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个U_be的结压降（这时U_cb=0）。因此，NPN晶体管和复合调整管不能提供小于1v的电压差。

PMOS晶体管和PNP晶体管可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和功耗最小，从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降，它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS 晶体管通常用作外部器件,特别当控制大电流时,从而使误差放大器IC构成一个控制器，而不能构成一个自身完整的稳压器。

低电压降落的线性稳压电源启动过程

***加电瞬间，由于输入电容C₂电压不能突变的特性，整个电路的供电仍然为零，包括调整管的发射极、运放IC₁的供电、基准电压源、反馈电阻形成的反馈电压皆为零。

随着电容C₂的快速充电，输入电压U_in不断上升，调整管T₁的发射极首先得电，由于调整管仍处于截止状态，反馈电压、基准电压还没形成，误差放大器的输出仍然为零，调整管T₁形成启动电流开始启动，随着电容电压（即输入电压U_in）的不断上升，调整管T₁的集电极电压随着输入电压不断上升。

随着调整管T₁快速进入饱和导通状态，基准源电压、反馈电压也快速建立，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，至此，稳压电源启动完毕。

线性稳压电源稳压过程

本电路的核心是一个CA3130型运算放大器和一个PNP型晶体管T₁，CA3130是结合CMOS和双极晶体管的优点而成的放大器，门保护的P沟道MOSFET（PMOS）晶体管在输入电路，用于提供非常高的输入阻抗，非常低的输入电流。

基准电压U_ref是由电阻R₁与稳压二极管D₁从输出端分压而得，因而非常稳定；反馈电压由反馈电阻网络R₂、 R₃形成反馈电压，集成运放CA3130及***元件构成误差放大器，误差放大器将输出反馈电压和基准电压U_ref之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上；同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变。

注意到运算放大器以及调整管都工作于线性状态，故该设计仍属于线性稳压电源。

电路的稳压过程比较简单，如果输出电压U_o有上升趋势，R₂/R₃结点处的电压（即反馈电压，连接运放同相输入端）将会升高，此时误差放大器CA3130的同相输入端比其反相输入端电压高，这是因为反相输入电压（即基准电压）是由稳压二极管D₁恒定在U_ref的缘故，所以误差放大器的输出将会增加，会导致调整管T₁工作点下移甚至截止，最终导致稳压器的输出电压降低。

如果输出电压U_o降低到规定值以下，上述工作过程相反。

由于采用了PNP型晶体管作为调整管，所以这个电路的一个优点是输入、输出之间电压降落很小，这主要取决于调整管T₁的饱和压降，上面提到较低功率的晶体管其饱和电压降落可以低到0.3V，因此本设计的不稳输入电压比所要求的输出电压仅需高0.35V即可，因此具有较高的转换效率。

电路参数的设计

由于理想运放CA3130可以提供非常高的输入阻抗，非常低的输入电流，故有“虚断”以及“虚短”的特性，即U₊=U_--，I₊= I_--=0，故电路各个参数的计算也比较简单。

假设通过R₂/R₃的电流为1mA,通过稳压二极管的电流为5 mA，从下面简单公式可以各个元件的参数。

R₁=0.2R₂(kΩ)

R₂=（U_o-U_ref）*1 kΩ

R₃= U_ref*1 KΩ

式中U_o为所需要的稳定输出电压；基准电压U_ref=U_D1，比U_o稍低一些。

例如：若需要8V的稳定输出，其计算结果为，U_ref=6.8V，R₁=220Ω，R₂=1.2k，R₃=6.8k。

本设计提供了线性稳压电源的另一种新颖的类型，如果输入电压与所要求的输出电压有较高的电压降落且输出电流不是太大，可以采用普通线性稳压电源；如果输入电压与所要求的输出电压电压差非常小且要求转换效率较高，则必须采用本文所介绍的低压降稳压电源。本设计经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确。

Claims

1.一种低电压降落的线性稳压电源，其特征在于：所述稳压电源包括不稳电源电路、滤波电路、串联调整管电路、误差放大器电路、基准电压源电路、反馈电阻网络电路组成；所述误差放大器电路由IC1构成，所述滤波电路由电解电容C2构成，电解电容C2的负极连接工作地，所述不稳电源Uin同时连接电容C2的正极、IC1的7脚、所述串联调整管电路晶体管T1的发射极，晶体管T1的基极连接IC1的输出端，所述基准电压源电路由电阻R1连接稳压二极管D1构成，所述反馈电阻网络电路由电阻R2连接电阻R3构成，T1的集电极依次通过电阻R1、反接的稳压管D1连接工作地，T1的集电极同时依次通过电阻R2、R3连接工作地，电阻R1、稳压管D1的连接点连接IC1的反相输入端，电阻R2、R3的连接点连接IC1的同相输入端，晶体管T1的集电极输出稳定的电压。

2.根据权利要求1所述的一种低电压降落的线性稳压电源，其特征在于：所述误差放大器电路，IC1的1脚通过电容C1连接IC1的8脚。