构建高压线性稳压器

出处:维库电子市场网 发布于:2024-07-08 17:13:55 | 317 次阅读

  将非常高的电压 (>200V) 调节到现代电子设备可以使用的电压 (例如 3.3 V) 是一项艰巨的任务。对于需要超过 1-2 mA 电流的应用,设计人员会避免使用简单的电阻/齐纳二极管组合,而选择更复杂的解决方案。在保持低成本电路的同时管理功耗也是一项挑战。图1中的电路 是一个简单的低成本调节器,可在输出电流为 5 mA 时实现高降压比,同时将成本降至最低。

  图1
  使用少量低成本组件构建一个简单的高压线性稳压器。
  在本文中,我们介绍了满足宽输入电压范围要求所需的详细设计计算和权衡。我们为示例稳压器选择了以下设计参数:
  输入电压(最大值) = 250V
  输出电压 = 3.3V
  我输出 = 5毫安
  T A(MAX) = 60 o C(最高环境温度)
  管理功耗
  管理设计热能是原型首次通过功能的关键。最大化输入电压范围需要仔细选择元件。

  传输晶体管的功率耗散将限制输出电流。公式 1 计算了传输晶体管功率耗散与最大电流的关系:

  构建高压线性稳压器
  当晶体管连接到一块 1 盎司铜(用作散热器)且尺寸为 15 x 15 毫米时,所选晶体管 (FCX458) 的 Θ JA指定为 125 o C/W。给定这些参数,当输出电流为 2.92 mA 时,晶体管将达到 150 o C的最大结温。将连接到晶体管的铜增加到 50 x 50 毫米,可将 Θ JA降低 至 60 o C/W,并产生 6.08 mA 的最大输出电流。这完全符合 5 mA 的设计规格。

  当输入电压达到峰值时,分流电阻 R SH的功率耗散也将达到最大值。公式 2 根据最大电阻功率耗散计算最小 R SH电阻值:

  构建高压线性稳压器

  将电阻器中耗散的功率限制为 350 mW,可产生 174 k Ω 的分流电阻,这是标准能源信息管理局 (EIA) 1% 电阻值。电路中耗散的大部分功率发生在分流电阻器 R SH或传输晶体管 Q P中。表 1 总结了最小和最大设计工作点的功率耗散。

 
  根据电路的工作点,功率耗散在分流电阻器和传输晶体管之间发生变化。
  一般而言,当输入电压最小时,功率损耗最小。当输入电压最大时,电阻器中的功率损耗最大。当输出电流和输入电压最大时,晶体管中的功率损耗最大。
  优化最小输入电压
  您可以通过选择具有高 beta 值 β 的晶体管和具有低最小阴极电流 IK (MIN) 的分流稳压器来优化设计,以获得最宽的输入电源范围。分流稳压器的几个常见选择包括TL431和TLV431。这些器件的 IK (MIN)值分别为 1 mA 和 80 ?A。改进的ATL431将最小阴极电流降低至 40 ?A。公式 3 计算最小输入电压与最小阴极电流的关系:
  构建高压线性稳压器

  通过选择合适的 TL431 器件来降低 I K(MIN) 并增加晶体管的 β 值,在最大化输入电压范围方面发挥着关键作用。图 2 绘制了最小输入电压与 β 的关系。将 TLV431 器件的最小调节电流降低 50% 可同样放宽传输晶体管 β 值要求。或者,您可以保持 β 值并获得额外的输入电压范围。如果没有合适的组件来满足目标输入电压范围,则增加分流电阻器中耗散的功率将降低最小输入电压,但设计中会耗散更多热量。

  图 2
  最小输入电压随分流调节器最小工作电流而变化。改进后的 ATL431 将晶体管 beta 要求降低了近 50%。
  最小输入电压随分流调节器最小工作电流而变化。改进后的 ATL431 将晶体管 beta 要求降低了近 50%。
  测试电路
  测试高压电路时,务必注意采取适当的安全预防措施。高压可能很危险,您需要小心谨慎地对待它们。如果您不熟悉适当的安全预防措施,请在打开电源之前寻求知情帮助。

  测试电路取得了良好的结果。为了防止调节电压振荡,需要一个输出电容。图 1中的电路显示电容为 10 F,但我们能够以低至 4.7 ?F 的电容实现稳定性。空载至满载瞬态响应也在容差范围内。图 3中的示波器捕获 (迹线编号 2)显示瞬态事件期间的纹波约为 200 mV。同样重要的是,该电路设计为可在 ATL431 的半导体工艺极限范围内正常工作。由于典型 I K(MIN) 远低于最大值,因此测得的最小输入电压远低于计算值。

  图 3
  在 200V 输入(黄色轨迹)的情况下,输出电压(蓝色轨迹)在触发输出(紫色轨迹)之后开始的满量程 0-5 mA 上升负载瞬变期间保持稳定。
  在 200V 输入(黄色轨迹)的情况下,输出电压(蓝色轨迹)在触发输出(紫色轨迹)之后开始的满量程 0-5 mA 上升负载瞬变期间保持稳定。
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