一種低壓差穩壓電源設計

許劍偉（福建省莆田市秀嶼區莆田第十中學，福建莆田　351146）

一種低壓差穩壓電源設計

許劍偉
（福建省莆田市秀嶼區莆田第十中學，福建莆田351146）

本文采用通用器件設計了一款多功能的低壓差、高精度穩壓電源，實現電池電壓監視、自動開機、關機等功能。

LDO穩壓電源AZ431 自動關機

在手持儀表中使用的穩壓電源，一般要求提高電源利用效率，電路多采用低壓差的穩壓芯片。常用的低壓差集成電路，如HT7533等，功能過于單一，穩壓的最大電流偏小、效率也不滿意，常常不能滿足實際要求。

為此，本文采用分立元件制作線性穩壓電源，實現多種功能，適合單片機控制。應用起來相對靈活，效率也比較高。實現可編程關機、開機、電壓檢測等功能，實踐表明，實現相同功能，本文方案不會明顯增加元件數量，甚至更簡潔。

基本電路：

原理：

AZ431是工業級電壓基準，精度高，噪聲小，很適合于儀表電源穩壓。AZ431參考極電壓是2.500V，當電壓輕微偏移2.500V，就會引起陰極很強的電流變化。

電路中，當Vout下降時，AZ431參考極電壓變小，陰極電流變小，A點電壓上升，T2集電極電流增大，T1輸出電流增大，使得Vout回升。這一反饋過程，使得輸出電壓Vout穩定。

圖中，Vout輸出電壓是2.5*（10+2.7）/10=3.18V。因為AZ431精度高，所以本電路輸出電壓的設計值與實測值相差很小。

AZ431陰極電壓最小為2.5V，最大為36V，須保證電壓在此范圍內才可正常工作。設計時，建議A點電壓最小在2.65v以上。

因為T2的be結壓降與二極管D1壓降基本一致，所以A點與C電壓比較接近，計算出C點電壓，就可以估算出A點電壓。空載時，Vout電壓為3.18V，D1壓降0.58V，得C點電壓為3.18-（3.18-0.58）*1/（5.1+1）=2.75V。空載時，A點實測比C點略小，實測為2.72V（此時T2基極電流非常小，所以T2的be電壓較小，A點電壓稍偏低一點），相反，滿載時A點電壓比C點電壓略高。

D1的作用是使得T2能以更小基極電壓提升獲得R3、R4支路所能提供的最大下拉電流。T2基極在相同的極限電壓提升下（電壓提升越多，意味著輸入要有更高的電壓支持，影響電源效率），引入D1后可以把R3、R4支路的電流設計得更小，起到減小功耗的作用。對與本電路，當A點電壓上升到接近于Vout，R3支路的電流接近于0，R4所提供的下拉電流全部提供給T2，穩壓電路獲得最大輸出電流。此時T2的be結壓降為0.65V，則R4電流為（3.18-0.65）/5.1=0.5mA，T1放大倍取200，則最大輸出為0.5mA*200=100mA。在最大輸出電流狀態下，輸入電壓Vin要求在3.7V左右，這因為AZ431最小工作電流在0.4mA到1mA，按1mA計算的話，Vin=A點電壓+R5壓降=3.18+510*0.001=3.7V。實驗時，采用的器件參數指標優于以上估值，實際在3.5V左右也能獲得100mA的輸出。

此外，D1有一定的溫度補償作用，可以起到防止T2溫漂引起A點電壓不理想。PN結的溫度系數約為-0.22mV/度，溫度升高40度，T2 的be結電壓下90mV左右。本電路A點電壓是2.7V左右，當環境溫度上升較大，T2的be結電壓可能下降50mV甚至100mV，如果沒有D1補償，A點電壓可能下降到2.6V，這會使得AZ431的工作點不夠理想。

電路中，負載為容性，隨頻率升高，反饋電路產生接近90度移相，當AZ431內部也產生接近90度移相，那么總移相將接近180度，電路容易自激。此類電路，不可避免出現接近90度移相的容性負載，防止自激的最簡單方法就是減小環路增益。

AZ431自激頻率在幾十kHz到幾百kHz范圍，如果在50kHz時，環路總增益就已遠小于1，那么AZ431就不會自激。按圖中參數計算，50kHz下，負載100uF電容的容抗為0.03歐，反饋增益約為200*0.03歐/1k歐=0.006，此時，AZ431的增益約為60倍，環路總增益為0.36。按上術方法計算，如果算得增益大于3.6，自激的可能性增加很多，即使調試時不自激，批量制作時也可能部分出現不穩定現象。

擴展應用：

1.如下圖，再加入T3、T4等輔助元件，就可以實現一鍵起動電源以及單片機控制下自主關機功能。

按下“啟動”鍵，T3就能夠給AZ431提供陰極電流，穩壓電源開始工作，單片機獲電工作，由單片機將圖中的“繼流”端子下拉到零電平左右，T3、T4導通，繼續給AZ431提供電流，即使斷開“啟動”鍵，電源仍然穩定工作。實際上，圖中的5.1k繼流電阻，改用10k或50k也可以正常工作，而且更省電。

如果需要定時關機，則由單片機放開繼流端子，穩壓電源停止工作。停止后，輸入電流接近于0，遠小于1uA

電路中還利用5.1k電阻提取出按鍵信號，單片機可以識別并充分利用此鍵，以減小按鍵數量。

2.如下圖，電路中增加了兩個100k歐取樣電阻，從T3的集電極采樣電壓，送入單片機的電壓測量端口，實現對輸入電源（電池）電壓的監控，方便我們對電池剩余容量分析。

電壓取樣不是直接從電池上獲得，有小量偏差，計算時應補上T3 的ce壓差，大約是0.01v。如，測值3.5V，那么電池電壓應為3.5+0.01=3.51V

當電源停止工作后，取樣電阻不消耗電能。

對于鋰電池，電壓低于3.7V，說明電池已失去大部分電能，低于3.5V，電量將極速耗盡。

在某些應用中，要求設備間歇式工作，以進一步減小功耗，這時，就可以利用定時芯片（如PCF8563）來啟動這個穩壓電源。定時器將圖中左邊的100k電阻下拉即可啟動電源，若要關閉電源則由單片機斷開“續流”端子，并取消定時器中斷。

總結：

本電路采用通用器件，取材容易，能夠很方便的實現一些特殊應用的要求。穩壓精度、紋波抑制等指標均比較滿意，適合3.7V鋰電池供電穩壓電源應用。