多重保護(hù)的傳感器用線性穩(wěn)壓電源設(shè)計

劉 溢高炳濤李春燕盧 超

(北京航天計量測試技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

目前,傳感器電路的供電系統(tǒng)一般多采用集成穩(wěn)壓器芯片,具有對設(shè)計者要求不高、使用方便、外圍電路簡單等諸多優(yōu)點。但是,此類芯片只能采用低壓直流供電,在一些工業(yè)現(xiàn)場不具備直流電源,從而限制了傳感器的使用或增加了額外的電源適配工作。因此,設(shè)計了一種適用于傳感器的線性穩(wěn)壓電源,可以同時兼容直流供電和交流供電,供電范圍寬,而且具備輸入過壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出限流保護(hù)等多重保護(hù)功能[1-3],很大程度上提高了傳感器的通用性和安全性。

2 總體設(shè)計

線性穩(wěn)壓電源主要由輸入電路、穩(wěn)壓控制電路、輸出電路以及多重保護(hù)電路構(gòu)成[4,5],如圖1 所示。其中,前三者組成線性穩(wěn)壓電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),完成交／直流輸入至直流輸出電壓轉(zhuǎn)換。輸入電路主要由整流濾波／極性保護(hù)電路構(gòu)成,可兼容直流供電和交流供電;對于交流輸入,實現(xiàn)整流和濾波;對于直流輸入,實現(xiàn)無極性輸入。穩(wěn)壓控制電路作為線性穩(wěn)壓電源的核心,實現(xiàn)輸出電壓幅值轉(zhuǎn)換和控制,并使之不隨源或負(fù)載變化而變化。輸出電路主要由儲能型濾波電容構(gòu)成,對外提供平滑的直流電平。

圖1 總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design block diagram

多重保護(hù)電路包括輸入過壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和輸出限流保護(hù),分別從輸入、輸出和電壓、電流等方面提供保護(hù),實現(xiàn)在各種復(fù)雜工況條件下電源穩(wěn)定、可靠地工作,確保電源的適應(yīng)性和安全性。

線性穩(wěn)壓電源對應(yīng)的電路原理圖如圖2 所示,以下從理論設(shè)計和仿真分析兩方面介紹各部分工作原理和設(shè)計過程。

圖2 線性穩(wěn)壓電源電路原理圖Fig.2 Circuit schematic of linear ragulated power supply

3 線性穩(wěn)壓電路設(shè)計

基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路由限流電阻、基準(zhǔn)源和晶體管構(gòu)成,如圖3 所示。利用晶體管和負(fù)載電阻引入電壓負(fù)反饋,使得輸出電壓Uo維持在Udz-Ube基本不變,其中,Udz表示穩(wěn)壓二極管Dz的穩(wěn)壓值,Ube代表三極管T基極和發(fā)射極兩端電壓。其穩(wěn)壓原理為:當(dāng)Uo增大時,晶體管發(fā)射集電位Ue升高,而基極電位Ub基本不變,則Ube減小,導(dǎo)致基極電流Ib減小,則發(fā)射集電流Ie隨之減小,從而Uo相應(yīng)減小,反之亦然。因此,Uo保持基本不變。

圖3 基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路Fig.3 Voltage-stabilizing circuit of basic regulator

基于此,設(shè)計穩(wěn)壓控制電路如圖2 中第③部分所示,并以此為核心確定線性穩(wěn)壓電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由圖2 中①輸入電路、③穩(wěn)壓控制電路和⑥輸出電路構(gòu)成。

3.1 輸入電路設(shè)計

輸入電路主要由整流橋、濾波電容和保護(hù)器件構(gòu)成。對于交流輸入,整流橋?qū)⒅D(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流,配合濾波電容C4,給后端穩(wěn)壓控制電路提供直流輸入。為了抑制EMI 傳導(dǎo)干擾,同時提高安全性,在電源入口設(shè)置三個安規(guī)電容。其中,C3為X電容,濾除差模干擾;C1、C2為Y 電容,濾除共模干擾;TR1為壓敏電阻,提供瞬態(tài)過壓保護(hù)。

對于直流輸入,整流橋提供極性保護(hù),實現(xiàn)無極性輸入,正接、反接均可正常工作;原理與交流輸入時正、負(fù)半周整流類似,通過整流橋后在電容C4兩端均為上正、下負(fù)直流電源,此處不再詳細(xì)介紹。因此,很大程度上提高了傳感器的通用性和安全性。

3.2 穩(wěn)壓控制電路設(shè)計

穩(wěn)壓控制電路主要由基準(zhǔn)源和調(diào)整管構(gòu)成。基準(zhǔn)源包括穩(wěn)壓二極管D3和通用二極管D4、D5;D3起主要作用,D4、D5構(gòu)成電壓微調(diào),共同提供的基準(zhǔn)電壓按公式（1）計算。

式 中:Vref——基準(zhǔn)電壓;VD3——D3的穩(wěn)壓值;Von——D4、D5的正向壓降。

此處,從功率、耐壓、散熱等方面考慮,調(diào)整管由晶體管替換為N 溝道增強型場效應(yīng)管Q3。其輸出電壓按公式（2）計算。

式中:Vout——線性穩(wěn)壓電源輸出電壓;Vgs3——Q3的柵源控制電壓。

場效應(yīng)管為電壓控制型,其穩(wěn)壓原理與晶體管類似,當(dāng)Vout升高時,根據(jù)公式（2）,Vgs3降低,由于跨導(dǎo)是確定的,則Q3的漏極電流Id降低,輸出Vout回落,反之亦然。

由公式（2）可知,調(diào)整基準(zhǔn)電壓值即可調(diào)整輸出電壓。本設(shè)計中,取VD3=16 V,設(shè)Von≈0.5 V,Vgs3≈2.5 V,則Vout≈14.5 V,可直接給后端運放、繼電器等通用器件供電,也可接LDO 提供5 V、3.3 V等恒定電壓,或者通過變壓器提供隔離電源。

3.3 輸出電路設(shè)計

電源輸出濾波一般包括儲能電容濾波和π 型濾波電路,后者又分為電感式和電阻式,為簡化設(shè)計,此處采用前者,包括470 uF、100 nF、100 pF 三個濾波電容,組合式濾波,更大程度消除電源波動。

3.4 仿真分析

通過Multisim 建立仿真模型,設(shè)置輸入電源分別為24 VDC 和220 VAC,負(fù)載電阻為200 Ω,輸入、輸出瞬態(tài)仿真結(jié)果分別如圖4（a）、（b）所示。Vout分別為14.19 V 和14.52 V,與理論設(shè)計值吻合;0.33 V差異主要來源于D4和D5兩個二極管的壓降Von,220 VAC 輸入時,其流過電流更大,Von更大,根據(jù)公式（1）和公式（2）可知輸出也越大。

圖4 輸入—輸出瞬態(tài)仿真圖Fig.4 Input-output transient simulation diagram

4 多重保護(hù)電路設(shè)計

4.1 輸入過壓保護(hù)

輸入過壓保護(hù)電路如圖2 中第②部分所示,由電阻R1、R2和穩(wěn)壓管D1、D2以及N 溝道增強型場效應(yīng)管Q2組成[6]。

輸入電壓Vin經(jīng)R2與R1分壓后施加在Q2的柵極,則Q2的柵源電壓Vgs2按公式（3）計算。

式中:VD2——D2的穩(wěn)壓值。若Vin超過設(shè)定值,使得Vgs2大于Q2開啟電壓Vgs2（th）,則Q2導(dǎo)通,基準(zhǔn)電壓Vref被鉗位至

式中:Vds2——Q2的漏源電壓。由于Q2工作在開關(guān)狀態(tài),則Vds2≈0,Vref≈VD2。設(shè)計VD2大大低于正常值,則由公式（2）可知,Vout也因此降低至一個很低的數(shù)值,以保護(hù)后端電路不遭損毀。

電路的輸入過壓保護(hù)閾值按公式（5）計算。

式中:（Vin）max——輸入過壓保護(hù)閾值。根據(jù)需要確定各參數(shù)值,本設(shè)計中,考慮到要兼容220 VAC 供電,當(dāng)負(fù)載開路時,其整流后電壓峰值為

通過Multisim 建立仿真模型,設(shè)置仿真類型為DC Sweep 模式,掃描對象為輸入電源Vin,范圍從24 VDC至400 VDC,步長0.1 V,輸出對象為Vout,仿真結(jié)果如圖5 所示。當(dāng)Vin<344 V 時,Vout輸出14.46 V,正常工作;Vin≥344 V 時,觸發(fā)輸入過壓保護(hù),此時Vout=2.95 V,與理論設(shè)計一致。其中,過壓保護(hù)時Vout比2.6 V 略高的原因為:Vout突降,輸出電流減小,導(dǎo)致流過Q3的漏極電流減小,進(jìn)而Vgs3略微減小,低于2.5 V,則Vout相應(yīng)略微升高。

圖5 輸入過壓保護(hù)仿真圖Fig.5 Simulation diagram of input overvoltage protection

本設(shè)計中,由于要兼容220 VAC 輸入,因此閾值電壓設(shè)置較高,實際應(yīng)用中,可以調(diào)整R1和R2的比值,靈活設(shè)置保護(hù)閾值。此外,為了保護(hù)Q2的柵源電壓Vgs2不高于其最大允許值,在R2兩端并聯(lián)穩(wěn)壓管D1。

4.2 輸出過壓保護(hù)

輸出過壓保護(hù)電路如圖2 中第⑤部分所示,主要由N 溝道場效應(yīng)管Q4、穩(wěn)壓管D9、二極管D7和輔助阻容元件構(gòu)成[7]。

設(shè)置R12?R11,則Q4的柵源電壓Vgs4滿足

式中:VD9——D9的穩(wěn)壓值;VD7——D7的正向壓降。隨著Vout增大,使得Vgs4大于Q4開啟電壓Vgs4（th）時,Q4導(dǎo)通,基準(zhǔn)電壓Vref被鉗位至

式中:Vds4——Q4的漏源電壓。由于Q4工作在開關(guān)狀態(tài),則Vds4≈0,Vref≈VD7≈0.5 V

輸出過壓保護(hù)閾值按公式（10）計算。

式中:（Vout）max——輸出電壓保護(hù)閾值。根據(jù)需要確定D9參數(shù),本設(shè)計中,取VD9=13 V,設(shè)VD7≈0.5 V,Vgs4（th）≈2.4 V,則有

通過Multisim 建立仿真模型,設(shè)置仿真類型為Parameter Sweep,掃描對象為D3的穩(wěn)壓值VD3,掃描范圍從16 V～19 V,步長為0.01 V,輸出對象為Vout,掃描結(jié)果如圖6 所示。隨著VD3的增大,Vout也跟隨增大,當(dāng)Vout增大至15.58 V 時,觸發(fā)輸出過壓保護(hù)功能,此后不再增大,與理論設(shè)計一致。其中,過壓保護(hù)時Vout比15.9 V 略低的原因為:流過Q4漏極和D7的電流比較小,導(dǎo)致Vgs4（th）和VD7比預(yù)計值略微減小,則Vout相應(yīng)略微減小。

圖6 輸出過壓保護(hù)仿真圖Fig.6 Simulation diagram of output overvoltage protection

4.3 輸出限流保護(hù)

輸出限流保護(hù)電路如圖2 中第④部分所示,主要由限流電阻R9／R10、穩(wěn)壓管D6和二極管D8構(gòu)成[8]。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律,對Vgs3、R9//R10、D6、D8、R7環(huán)路,有

式中:VR——限流電阻R9//R10兩端壓降;VD6——D6穩(wěn)壓值;VD8——D8正向壓降;VR7——電阻R7兩端壓降。由于場效應(yīng)管柵極電流非常小,為nA 級,因此,VR7可以忽略不計。

隨著輸出電流Iout增大,VR也增大,VD6隨之增大直至D6導(dǎo)通,此后VD6保持恒定。隨著Iout繼續(xù)增大,Vgs3相應(yīng)減小;直至Vgs3小于Q3的開啟閾值Vgs3（th）,Q3關(guān)斷,切斷輸出,Iout立即降低,進(jìn)而Q3恢復(fù)導(dǎo)通,Iout相應(yīng)恢復(fù)。如此反復(fù),使得Iout維持在閾值水平,實現(xiàn)輸出限流保護(hù)。

輸出限流閾值按公式（12）計算。

式中:（Iout）max——輸出限流閾值。根據(jù)需要選取各參數(shù)值,本設(shè)計中,取R9=R10=6.81 Ω,VD6=6.2 V,設(shè)VD8≈0.5 V,Vgs3（th）≈2.5 V,則有

通過Multisim 建立仿真模型,更改負(fù)載電阻為1 Ω,則理論輸出電流約為14 A,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計限流值。設(shè)置仿真類型為Parameter Sweep,掃描對象為D6的穩(wěn)壓值VD6,掃描范圍從5.2 V～7.2 V,步長為0.1 V,輸出對象為Iout,掃描結(jié)果如圖7 所示。Iout觸發(fā)了限流功能,且隨著VD6增大,限流閾值線性增大,當(dāng)VD6=6.2 V 時,Iout=1.23 A,與設(shè)計吻合。

圖7 輸出限流仿真圖Fig.7 Simulation diagram of output current limiting

5 源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)分析

5.1 源效應(yīng)分析

通過Multisim 建立仿真模型,設(shè)置輸入為24 V～25 V 脈沖電源,脈沖寬度為20 ms,周期為40 ms,仿真類型為Transient,仿真結(jié)果如圖8（a）所示。當(dāng)輸入電源波動1 V 時,Vout波動20 mV,對大多數(shù)應(yīng)用來說可以接受,對精度要求很高的場合,可以在后端增加基準(zhǔn)源。

圖8 源效應(yīng)仿真圖Fig.8 Source effect simulation diagram

輸出波動的原因為:輸入電源電壓變化時,流經(jīng)二極管D4、D5和穩(wěn)壓管D3支路的電流也跟隨變化。對于穩(wěn)壓管D3,其利用反向伏安特性曲線,非常陡峭;而對于普通二極管D4、D5,利用其正向伏安特性曲線,相同電流變化導(dǎo)致的電壓變化相對更大,因此導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓Vref產(chǎn)生變化,進(jìn)而輸出改變。基于此,去掉D4、D5后再次仿真,結(jié)果如圖8（b）所示。Vout僅僅變化5 mv,源效應(yīng)整整提高4倍。因此,可以根據(jù)實際需要決定D4、D5的去留。

5.2 負(fù)載效應(yīng)分析

通過Multisim 建立仿真模型,利用定時開關(guān)在原200 Ω 負(fù)載上定時并聯(lián)200 Ω 負(fù)載,測試負(fù)載變化時輸出性能,仿真結(jié)果如圖9 所示。當(dāng)負(fù)載由200 Ω 變?yōu)?00 Ω 時,輸出電流由70.95 mA 變化為139.64 mA,輸出電壓由14.19 V 變化為13.96 V,變化0.23 V。

圖9 負(fù)載效應(yīng)仿真圖Fig.9 Load effect simulation diagram

輸出變化的主要原因為,負(fù)載電流Iout變化導(dǎo)致限流電阻R9／R10上的壓降變化:（139.64-70.95）×3.405=234 mV。負(fù)載效應(yīng)受限流電阻影響較大,因此,可以針對性降低限流電阻的阻值,但同時需要考慮輸出限流的變化。考慮到傳感器負(fù)載電流一般不超過20 mA,負(fù)載效應(yīng)不明顯,本設(shè)計中不予調(diào)整。

6 試驗驗證

分別采用24 VDC 和220 VAC 供電,測試線性穩(wěn)壓電源輸出,如圖10（a）、（b）所示。Vout分別為14.082 V 和14.240 V,與3.4 節(jié)理論設(shè)計和仿真分析吻合。細(xì)微差異主要來自于實際器件和仿真模型的參數(shù)差異,其中,交流輸入時的差異比直流輸入時略大是由于實際整流、濾波效率略低于理論值。調(diào)整直流供電電壓為25 VDC,Vout由14.082 V變化為14.105 V,變動23 mV,與5.1 節(jié)源效應(yīng)仿真分析一致。將負(fù)載電阻由200 Ω 調(diào)整為100 Ω,Vout由14.082 V 變化為13.844 V,變動238 mV,與5.2節(jié)負(fù)載效應(yīng)仿真分析一致。

圖10 試驗測試現(xiàn)場圖Fig.10 Test diagram

7 結(jié)束語

設(shè)計了一種帶多重保護(hù)的線性穩(wěn)壓電源,同時兼容直流供電和交流供電,輸出電壓14 V 左右,負(fù)載電流能力1.2 A,并且具備輸入過壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和輸出限流保護(hù)功能,能夠滿足大多數(shù)傳感器的供電需求。從理論設(shè)計和仿真分析兩方面闡述了電源各部分的工作原理,以及如何根據(jù)需要調(diào)整各項參數(shù),以調(diào)整輸出電壓、保護(hù)電壓、輸出電流、源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)等各項指標(biāo),從而滿足各種特定需求,提高了電源的通用性。最終,通過試驗測試驗證了設(shè)計的正確性。