怎么通過設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)壓二極管電路實現(xiàn)LDO電源

一般來講二極管都是正向?qū)?，反向截止；在家二極管上的反向電壓如果超過二極管的承受能力，二極管就要被擊穿損毀。

但是有一種二極管，它的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊，當反向電壓加到一定程度時，只要管子處在擊穿狀態(tài)，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓卻變化極小，起到了穩(wěn)壓作用，這就是穩(wěn)壓二極管的基本功能。

在工程應(yīng)用中，穩(wěn)壓二極管可以吸收瞬變的高壓（鉗位電壓）也可以設(shè)計成穩(wěn)壓電源，下面就通過穩(wěn)壓二極管來設(shè)計基本的穩(wěn)壓電路。

圖10 穩(wěn)壓二極管基本穩(wěn)壓電路

如圖10中所示，這是穩(wěn)壓二極管應(yīng)用的基本的穩(wěn)壓電路，其中R1是分壓電阻（這個電阻是一定要有的，如果沒有這個電阻輸入電源VCC會受到穩(wěn)壓二極管D1的影響），D1是穩(wěn)壓二極管（此處D1的符號不是穩(wěn)壓二極管的符號），Rload是外界變化的負載，那么怎么根據(jù)外界負載來分析以及設(shè)計R1和D1呢？

首先，我們需要了解的是穩(wěn)壓二極管在沒有接負載的特性，如下圖所示：

圖11 穩(wěn)壓二極管不接負載電路圖

其中R1是分壓電阻，D1是穩(wěn)壓二極管。而R1阻值需要根據(jù)穩(wěn)壓二極管的特性進行選型，我們知道穩(wěn)壓二極管與二極管的特性是相似的，二極管也具有穩(wěn)壓作用，但是兩種管子的內(nèi)部的摻雜情況不一致，通用的二極管處于反向擊穿時電壓不是穩(wěn)定的，但是穩(wěn)壓二極管由于內(nèi)部特殊的摻雜可以使得在反向擊穿的情況下對外電壓處于穩(wěn)定的情況，所以才被應(yīng)用。如下圖是穩(wěn)壓管的伏安特性曲線：

圖12 穩(wěn)壓管的伏安特性曲線

從圖中可知，反向電壓從零接近A點電壓時，反向電流非常小，因此可以說穩(wěn)壓二極管反向電壓在A點之前時是不導電區(qū)，加上非常小電流并且一定電壓也會呈現(xiàn)“穩(wěn)壓”特性，但是穩(wěn)壓二極管不是處于正常工作狀態(tài)，所以在設(shè)計時要考慮流過穩(wěn)壓管的電流不能低于最小工作電流；在反向電壓超過A點電壓時，反向電流迅速增加而電壓變化很小，這個區(qū)間稱為穩(wěn)壓二極管的齊納擊穿區(qū)，在A和B階段的穩(wěn)壓二極管處于正常工作狀態(tài)。

下圖是藍箭電子的BZT52C型號的穩(wěn)壓二極管的電性能參數(shù)：

圖13 BZT52C型號穩(wěn)壓二極管電氣參數(shù)

如圖13所示，Vz表示穩(wěn)定電壓，例如BZT52C2V4這款穩(wěn)壓管，在Zener Voltage Range這一欄顯示正常穩(wěn)壓在2.4V，但是波動范圍在2.2V~2.6V，所以穩(wěn)壓二極管只適用于精度不是很高的穩(wěn)壓場合，而Izt表示穩(wěn)壓管正常工作2.4V工作的電流；在Maximum Zener impedance 這一欄中Zzt@Izt表示穩(wěn)壓管正常工作時內(nèi)部動態(tài)電阻為100Ω，而Zzk@Izk表示正常工作和不正常工作的拐點動態(tài)電阻，同時在設(shè)計時流過穩(wěn)壓管最低電流不能低于Izk這個數(shù)值，否則穩(wěn)壓管不正常工作，在圖12中可能工作在A點以前的電壓范圍了；在Maximum ReverseCurrent這一欄中表示穩(wěn)壓管反向電壓1V時，反向流過的電流數(shù)值，這個是必然存在的和工藝有關(guān)；在Typical Tenperature Coefficient 這一欄表示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值與溫度的關(guān)系，圖中只顯示了穩(wěn)壓管的負溫度系數(shù)但是，穩(wěn)壓管溫度系數(shù)和穩(wěn)壓值有關(guān)的：（模電中總結(jié)）

二極管的反向擊穿主要分為齊納擊穿和雪崩擊穿，對于穩(wěn)壓二極管來說：

穩(wěn)定電壓小于4V的管子具有負溫度系數(shù)（屬于齊納擊穿）；

穩(wěn)定電壓大于7V的管子具有正溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿）；

穩(wěn)定電壓在4~7V之間的管子，溫度系數(shù)非常校，近似為零（雪崩和齊納）。

圖14 穩(wěn)壓管動態(tài)電阻

如圖14表示二極管的齊納阻抗變化曲線，也可稱為動態(tài)電阻Rz，它是穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值，即這個數(shù)值隨工作電流的不同而改變，通常工作電流越大，動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好，但是穩(wěn)壓管消耗的功率就比較大，增加了系統(tǒng)功耗：

好了，通過上面的描述，基本已經(jīng)認識了穩(wěn)壓管了，反過來繼續(xù)看圖11穩(wěn)壓二極管不接負載電路圖，把穩(wěn)壓管化為帶動態(tài)電阻的形式如下：

圖15 穩(wěn)壓管不帶不負載等效圖

如果取圖13中BZT52C3V3穩(wěn)壓管，那么怎么配置合適的R1可以是其正常工作，并且波動電壓在多少？

圖13中BZT52C3V3穩(wěn)壓管Izt=5mA,Vz=3.3V,Zzt@Izt=95Ω，如果VCC=5V，那么R1可以根據(jù)Izt求得如下：

動態(tài)電阻Rr上分壓為：

也就是最后輸出電壓可能在（3.3V-0.475V）~（3.3V+0.475V）之間波動，仔細計算的話，還是發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的精度實在太低了，所以不能用于精確的電源，比如ADC的參考電源。

同時計算此時穩(wěn)壓管上的功率為：

而BZT52C3V3的功率是500mW,所以穩(wěn)壓管的功耗是可以接受的，但是穩(wěn)壓管畢竟后面是要帶負載的，那么帶負載后又是什么情況呢？

首先，我們需要明確的是外界負載需求的電壓U是多少，然后根據(jù)電壓U選擇穩(wěn)壓值相近的穩(wěn)壓二極管，將圖10中的穩(wěn)壓管同樣等效后如下所示：

圖16 等效穩(wěn)壓管基本穩(wěn)壓電路

同樣的，穩(wěn)壓管采用BZT52C3V3型號，外界Rload為單片機，并且正常工作下單片機消耗50mA的電流，內(nèi)部程序設(shè)置好休眠功耗很低可以忽略不計，此時消耗電流視為0mA的電流，單片機供電電壓為3.3V所以需要采用BZT52C3V3穩(wěn)壓管Izt=5mA,Vz=3.3V,Zzt@Izt=95Ω，設(shè)定VCC=5V，那么R1上最少要流過的電流I3為：

那么可以根據(jù)I3求得R1的最大值為：

也就是R1在選型情況下，最高阻值只能為31Ω，這里選擇30Ω，但是應(yīng)該選擇怎么封裝的電阻呢？封裝與阻值和功率都有關(guān)，此時求得電阻產(chǎn)生的功率為：

算得在R1=30Ω時，消耗的功率接近0.1w了，所以選擇0603（1/10W）以上的封裝的電阻，如果選擇0603那么R1可能會發(fā)燙，這點值得注意，但是發(fā)燙問題也不大，電阻就是為了發(fā)燙的，沒必要驚訝。

同理計算穩(wěn)壓管中動態(tài)電阻的壓降：

也就是最后輸出電壓可能在（3.3V-0.475V）~（3.3V+0.475V）之間波動，所以用作3.3V供電給單片機是不太穩(wěn)定的，單片機一般不會直接采用穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓。

那么問題來了，單片機要是進入休眠狀態(tài)，此時外界負載為無窮大，55mA電流全部流進穩(wěn)壓管，此時穩(wěn)壓管頂?shù)淖。看藭r穩(wěn)壓電路可以等效為如下：

圖17 等效穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路負載無窮大

那么計算穩(wěn)壓管此時功率為：

此時穩(wěn)壓管功率達到181.5mW，此時查看穩(wěn)壓管datasheet極限參數(shù)如下：

圖18 穩(wěn)壓管極限參數(shù)

在Power Dissipation 這一欄可以知道BZT52C3V3穩(wěn)壓管的功率為500mW，而500mW遠大于181.5mW，所以極限情況下，穩(wěn)壓管還是頂?shù)米〉?，但是要是負載是其他的，并且達到200mA,那么此時消耗的功率：

那么660mW>500mW,此時穩(wěn)壓管是處于發(fā)熱或者燒壞的狀態(tài)的，還是很危險的，像現(xiàn)在給單片機供電一般才有LDO芯片，基本可以帶500mA的負載，所以最后的結(jié)論是：穩(wěn)壓管做的穩(wěn)壓電路只適用于精度不高、低負載的場合。

此時主題都掌握的差不多了，可以試試自個分析一道題，如下所示，嘗試假設(shè)負載條件、電源情況，求電阻R怎么選型、三極管Q怎么選型、三極管處于什么狀態(tài)、穩(wěn)壓管怎么選型，最后負載穩(wěn)壓是多少？等等

圖19 穩(wěn)壓管組成的LDO電源電路