如何快速练就低成本高效益的电源设计？

有些应用需要宽松的输出调节功能以及不到 20mA 的电流。对这样的应用来说，采用分立组件打造的线性稳压器是一种低成本高效益的解决方案(图 1)。而对于具有严格的输出调节功能并需要更大电流的应用，则可使用高性能的低压差线性稳压器(LDO)。

图 1：简单的串联稳压器

有两个与图 1 所示电路相关的设计挑战。第一个挑战是要调节输出电压，第二个挑战是要在短路事件中安然无恙。在这篇文章中，笔者将讨论如何用分立组件设计稳健的线性稳压器。

下面是一个用来给微控制器供电的示例：
输入范围：8.4V 至 12.6V。
输出范围：1.71V 至 3.7V。
最大负载电流：Io_max = 20mA。
双极型 NPN 晶体管的选择

NPN 双极型晶体管 Q1 是最重要的组件。笔者首先选择了这种器件。该晶体管应符合下列要求：

集电极至发射极和基极至发射极的击穿电压应超过最高输入电压 Vin_max。
集电极最大允许电流应超过最大负载电流 Io_max。
除了这两项基本要求之外，使用具有备选封装的组件也是一个好主意。当涉及到功耗时，拥有这种灵活性将会简化以后的设计过程。笔者为这种应用选择了具有备选封装和不同额定功率的 NPN 晶体管。

下面是笔者所用 NPN 晶体管的关键特性。
当 IC = 50mA 时：
直流(DC)电流增益 hFE = 60;
集电极 - 发射极最高饱和电压 VCEsat = 300mV;
基极 - 发射极最高饱和电压 VBEsat = 950mV。
齐纳二极管 Dz 的选择
输出电压等于反向齐纳电压 VZ 减去该晶体管基极至发射极电压 VBE。因此，最低反向齐纳电压应符合下述要求(方程式 1)：


(1)
对于这种应用，笔者选用的一个测试条件是 IZT = 1mA，并选择了一个具有以下特性的齐纳二极管：

当 Vo_min = 1.71V 且 VBE_max= 0.95V 时，Vz_min 应大于 2.65V。
当反向电流 IZT = 1mA 时，最低反向电压 VZ_min = 2.7V。
当反向电流 IZT = 5mA 时，最高反向电压 VZ_max = 3.8V。

基极上拉电阻器 RB

电阻器 RB 可为齐纳二极管和晶体管基极提供电流。在运行条件下，它应提供足够的电流。齐纳二极管反向电流 IZ 应大于 1mA，正如笔者在“齐纳二极管 Dz 的选择”部分所讨论的。方程式 2 可估算出运行所需的最大基极电流：

(2)
其中 Hfe_min = 60。因此，IB_max ≈ 0.333mA。
方程式 3 可计算出 RB 的值。笔者使用了一个具有 1%容差的电阻器。

(3)
故此，RB 应小于 4.26kΩ。笔者使用了一个具有 4.22kΩ标准值的电阻器。
添加一个用于输出调节的虚拟负载电阻器

当负载电流为零时，输出电压达到最大值。当 1mA ≤ IZT ≤ 5mA 时，VZ 最大值为 3.8。VBE(on)应大于 0.1V，这样该稳压器的输出就能符合要求。此外，笔者还添加了一个虚拟负载电阻器，以便在无负载条件下汲取集电极电流。
图 2 显示，VBE(on)可作为集电极电流 IC 的函数。当 IC = 0.1mA 时，VBE(on) 大于 0.3V。

图 2：基极 - 发射极导通电压与集电极电流
方程式 4 可计算出该虚拟电阻：


(4)
笔者将一个 36kΩ的电阻器添加到了该电路，如图 3 所示。


图 3：具有虚拟负载电阻器的串联稳压器
为短路事件进行的电流限制
图 3 所示电路的输出对地短路将产生较大的集电极电流。一项 PSPICE 仿真结果表明，集电极电流可高达 190mA，见图 4。

图 4：短路仿真结果
晶体管 Q1 的功耗是 2.4W。没有能应对该功耗的封装。
为了限制短路电流，笔者添加了一个电阻器 RC(从 VIN 到晶体管 Q1 的集电极)，如图 5 所示。

图 5：具有限流电阻器的串联稳压器
电阻器 RC 将会满足输出调节要求，并能在短路事件中耗散功率。笔者可计算出 RC 的值：

图 6

(5)
VCE_Test 是图 1 中所用的集电极 - 发射极电压。笔者为 RC 选择了一个 5%容差的电阻器。采用方程式 5，RC 应小于 271Ω。使用这个估计值，在短路事件中方程式 6 可计算出最坏情况下的 RC 功耗：

图 7

(6)
该功耗约为 0.56W。笔者选择了一个 1W、270Ω的功率电阻器。对于 RC 短路功耗更高的应用，您可把多个电阻器串联以分担功耗。
组件应力分析
就电阻器 RC 而言，在具有最大输入的短路事件中会发生最坏情况下的功耗。采用方程式 6，可计算出最大功耗为 0.59W。
就晶体管 Q1 而言，因为有限流电阻器 RC，所以在短路事件中不会发生最坏情况下的功耗。在正常运行期间 Q1 的功耗是集电极电流的函数，如方程式 7 所示：


(7)
当满足下列条件时，会发生最坏的情况：
VIN = VIN_max
VO = VO_min
IC = (VIN_max – VO_min)/(2×RC)
因此，Q1 的最大功耗为(VIN_max – VO_min)2/(4×RC)。在本示例中，它是 110mW。笔者选择了一种额定功率为 350mW、采用 SOT23 封装的小外形晶体管。

至于 RB 的最大功耗，在具有最大输入的短路事件中会发生最坏的情况。跨 RB 的电压等于输入电压减去 VBE(sat)。最大功耗估计为 38mW。