穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路是指：在輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生改變時(shí)仍能保持輸出電壓基本不變的電源電路。穩(wěn)壓電路分類(lèi)繁多，按輸出電流的類(lèi)型分為：直流穩(wěn)壓電路和交流穩(wěn)壓電路。按穩(wěn)壓電路與負(fù)載的連接方式分為：串聯(lián)穩(wěn)壓電路和并聯(lián)穩(wěn)壓電路。按調(diào)整管的工作狀態(tài)分為：線(xiàn)性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。按電路類(lèi)型分為：簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電源，反饋型穩(wěn)壓電源和帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電路

直流穩(wěn)壓原理

典型的直流穩(wěn)壓器的框圖。交流輸入電壓e1由變壓器Tp變成電壓e2，經(jīng)整流、濾波

后向調(diào)整電路（穩(wěn)壓電路）輸送一個(gè)不穩(wěn)定的脈動(dòng)的直流電壓。因或穩(wěn)壓電路輸出電流的變動(dòng)而引起輸出電壓變化時(shí)，調(diào)整電路使保持原值或者只有極小的變動(dòng)。調(diào)整電路中的調(diào)整管工作在線(xiàn)性放大區(qū)的稱(chēng)為線(xiàn)性電源，工作在非線(xiàn)性區(qū)的則稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源。線(xiàn)性電源分為簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路、并聯(lián)穩(wěn)壓電路、串聯(lián)穩(wěn)壓電路和集成化穩(wěn)壓電路。［1］

直流穩(wěn)壓電路

在輸入直流電壓和負(fù)載之間串聯(lián)入一個(gè)三極管，用三極管的管壓降代

替穩(wěn)壓二極管電路中的穩(wěn)壓電阻R。當(dāng)或變化引起輸出電壓變化時(shí)，的變化將反映到三極管的發(fā)射結(jié)電壓上，引起的變化，從而調(diào)整，以保持輸出電壓的基本穩(wěn)定。根據(jù)三極管所起的作用，稱(chēng)為調(diào)整管。由于調(diào)整管與負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系，所以圖15-2-1稱(chēng)為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。它主要由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件組成。比較放大可以是單管放大電路、差動(dòng)放大電路、集成運(yùn)算放大器。調(diào)整元件可以是單個(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)，取樣電路取出輸出電壓的一部分和基準(zhǔn)電壓VREF比較。［2］

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路具有體積小、效率高的特點(diǎn)。線(xiàn)性電源的效率為30%

～55%；而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓

器可達(dá)60%～85%，而且可以省去工頻變壓器和巨大的散熱器，體積和重量都大為減小。這種電路已在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。

常用的實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制的方法；有自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和直流變換式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等。

如圖是采用直流變換器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的框圖。對(duì)工頻電壓直接整流-濾波后獲得的直流電壓，由開(kāi)關(guān)管變?yōu)楦哳l電壓。后者經(jīng)高頻換流變壓器變?yōu)橐欢ǖ碾妷海俳?jīng)高頻整流－濾波以后給出所需的輸出電壓u0；開(kāi)關(guān)管的工作受脈沖調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)放大器的控制。當(dāng)輸出電壓u0發(fā)生變化時(shí)，來(lái)自輸出端的取樣信號(hào)經(jīng)比較電路產(chǎn)生誤差信號(hào)，然后通過(guò)脈沖調(diào)制器來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)工作比，從而使直流變換器的輸出保持穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)管是在飽和區(qū)斷續(xù)工作的，所以功耗較線(xiàn)性電源的調(diào)整管為小，因而效率較高。大功率電力穩(wěn)壓器是有補(bǔ)償變壓器，調(diào)壓器，控制電路，檢測(cè)電路和操作電路組成。［1］

串聯(lián)穩(wěn)壓電路

如圖所示的是簡(jiǎn)單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。是調(diào)整管，調(diào)節(jié)輸出電壓，它與負(fù)載電阻是串聯(lián)的，所以稱(chēng)為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。給提供合適的偏置，使工作在放大狀態(tài);利用三極管電流放大作用可以提高輸出電流。同時(shí)還是限流電阻，保護(hù)管。管穩(wěn)定三極管基極的電位。

簡(jiǎn)單串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。由于三極管具有電流放大作用，使它的輸出電流較大。但是它的輸出電壓仍然不能調(diào)節(jié)，而基本上是不變。穩(wěn)壓靈敏度不夠，穩(wěn)壓效果差，所以要進(jìn)行改進(jìn)。

穩(wěn)壓電路5V轉(zhuǎn)3.3V的經(jīng)典方案總合

本文給出5V到3.3V的電源設(shè)計(jì)方案。一般電流要求的電源可以用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩(wěn)壓器。較高電流要求需要開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方案。成本敏感的應(yīng)用需要簡(jiǎn)單的分立二極管穩(wěn)壓器。三種電源方案的比較見(jiàn)表1。

采用LDO的5V到3.3V電源

標(biāo)準(zhǔn)3端線(xiàn)性穩(wěn)壓器壓降通常為2.0~3.0V。5V到3.3V變換排除采用這種3端線(xiàn)性穩(wěn)壓器。低壓降（LDO）穩(wěn)壓器的壓降為幾百毫伏，所以適合于此應(yīng)用。圖1示出基本的LDO系統(tǒng)。LDO由4個(gè)主要元件組成：

·通路晶體管；帶隙參考；運(yùn)放；反饋電阻分壓器。

在選擇LDO時(shí)，重要的是要了解LDO間的差別。器件靜態(tài)電流、封裝尺寸和類(lèi)型是器件的重要參量。針對(duì)專(zhuān)門(mén)應(yīng)用評(píng)估每個(gè)參量會(huì)獲得最佳設(shè)計(jì)。

LDO的靜態(tài)電流IQ是器件無(wú)載工作時(shí)的地電流IGND。IGND是LDO用來(lái)執(zhí)行穩(wěn)壓工作的電流。LDO的效率當(dāng)IOUT》》IQ時(shí)可近似于輸出電壓與輸入電壓之比。然而，在輕載時(shí)，計(jì)算效率必須考慮IQ。具有較低IQ時(shí)LDO有較高的輕載效率。輕載效率的增大對(duì)LDO性能有負(fù)面影響。具有較高靜態(tài)電流的LDO能快速響應(yīng)瞬時(shí)線(xiàn)路和負(fù)載變化。

采用齊納二極管的低成本電源方案

用1個(gè)齊納二極管和1個(gè)電阻器可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本3.3V穩(wěn)壓器。在很多應(yīng)用中，此電路是替代LDO穩(wěn)壓器的一種經(jīng)濟(jì)方案。然而，這種穩(wěn)壓器比LDO更敏感于負(fù)載。另外，它的效率較低，功率總是消耗在電阻R和二極管D上。R限制到二極管和MCU的電流，因而MCU的VDD保持在可允許的范圍內(nèi)。因?yàn)榭缃釉邶R納二極管上的反向電壓隨流經(jīng)的電流變化而變化，所以要仔細(xì)地考慮R值。在最大負(fù)載（MCU正在運(yùn)行）時(shí)R的值必須使跨接在R上的壓降足夠低以使MCU有足夠電壓來(lái)工作；在最小負(fù)載（MCU處于復(fù)位狀態(tài)）時(shí)R的值必須使VDD不超過(guò)齊納二極管的電源額定值或MCU的VDD最大值。

采用三個(gè)整流二極管的低成本電源

也可以用三個(gè)正向串聯(lián)開(kāi)關(guān)二極管降壓為MCU供電（圖2）。這比齊納二極管穩(wěn)壓器更經(jīng)濟(jì)。這種電路吸入的電流比用齊納二極管要小。根據(jù)所選二極管正向壓降是流經(jīng)二極管電流的函數(shù)。電阻R1保持MCU的VDD電壓不超過(guò)最小負(fù)載（當(dāng)MCU處于復(fù)位或休眠狀態(tài)時(shí)）時(shí)的最大VDD。所選二極管D1-D3必須在最大負(fù)載（MCU處于運(yùn)行狀態(tài)）時(shí)跨接在D1-D3上的壓降足夠小，以滿(mǎn)足MCU最小VDD要求。

采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電源方案

圖3所示降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種電感器基變換器，用于降壓輸入電壓源到較低的輸出電壓?？刂芃OSFETQ1的導(dǎo)通時(shí)間可實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)整。由于MOSFET是處于低或高電阻狀態(tài)（分別為ON或OFF），所以高的源電源可以非常有效地變換到較低的輸出電壓。

在Q1兩個(gè)狀態(tài)（ON和OFF）期間平衡電感器的電壓一時(shí)間可以建立輸入和輸出之間的關(guān)系：

（VS-VO）×ton=VO×（T-ton）

其中T=ton/Duty-Cycle

MOSFETQ1占空比為：

Duty-CycleQ1=VO/VS

電感器值的選擇原則是：所選其數(shù)值使在電感器中所產(chǎn)生的最大峰一峰值紋波電流等于最大負(fù)載電流的10%：

V=L×（di/dt）

L=（VS-VO）×（ton/IO×0.10）

選擇輸出電容器值的原則是：置LC濾波器特性阻抗等于負(fù)載阻抗。這使得工作在滿(mǎn)載和負(fù)載突然去除時(shí)所產(chǎn)生的電壓過(guò)沖在可接受的范圍內(nèi)。

C=L/R2=（IO2×L）VO2

D1二極管選擇原則是：所選器件有足夠的電流額定值來(lái)處理脈沖周期放電期間的電感電流。

一種超級(jí)實(shí)用的3.3V/5V雙向電平轉(zhuǎn)換電路

這個(gè)電路，就是完成3.3V和5V電平的雙向轉(zhuǎn)換用的，以SDA為例說(shuō)明電路的原理：

1、SDA1=0V那么SDA2=0V，因?yàn)榇藭r(shí)Mos管導(dǎo)通，SDA1為0V，將拉低SDA2的電平，使之為0V；

2、SDA1=3.3V那么SDA2=5V，因?yàn)榇藭r(shí)Mos管截止，SDA2將被上拉電阻拉高到5V；

3、SDA2=0V那么SDA1=0V，因?yàn)镸os管內(nèi)部的二極管，將會(huì)把SDA1拉低，使得SDA1的電壓約為0.7V（內(nèi)部二極管的壓降），此時(shí)Vgs大于Mos管的闕值電壓從而使得Mos管導(dǎo)通，一旦導(dǎo)通，SDA1將和SDA2處于同一個(gè)電平——低電平，所以SDA1為0V。

4、SDA2=5V那么SDA1=3.3V，因?yàn)榇藭r(shí)Mos管截止，SDA1將會(huì)被上拉到3.3V。

5、這個(gè)電路的速度不能過(guò)高，但達(dá)到1M還是沒(méi)問(wèn)題的，再高可能就出問(wèn)題了。