基于運(yùn)算放大器的穩(wěn)壓器設(shè)計

通過使用通用運(yùn)算放大器 (op-amp) 和一些其他外部組件，可以設(shè)計出能夠提供出色性能并特別適合為低功率負(fù)載供電的線性穩(wěn)壓器。

“ ”This is another article of series about the design of power supply. We will analyze several hardware and simulation aspects. Here is the previous article. Enjoy!

大多數(shù)情況下，線性穩(wěn)壓器使用閉環(huán)控制來保持輸出電壓恒定。今天，市場上有幾種線性穩(wěn)壓器可供選擇：有些具有固定的輸出電壓，有些具有可通過分壓器調(diào)節(jié)的輸出電壓。還有負(fù)輸出電壓的穩(wěn)壓器。最后，即使輸入值非常接近輸出值，低壓差輸出(LDO) 穩(wěn)壓器也能調(diào)節(jié)電壓。

示意圖

圖 1所示電路不僅執(zhí)行穩(wěn)壓器的功能，而且可以產(chǎn)生誤差小于 1% 的穩(wěn)定輸出電壓。該電路由未調(diào)節(jié)的直流電壓供電，并使用放置在反饋回路中的射極跟隨器配置的晶體管 (Q 1 )。該晶體管具有供給有電流大于僅具有運(yùn)算放大器可獲得的最大負(fù)荷的任務(wù)，而齊納二極管(在的例子中圖1，V ? = 12V)提供輸入?yún)⒖茧妷篤 REF的運(yùn)算放大器 電阻器 R 1大小可以極化齊納二極管，使其保持在反向傳導(dǎo)區(qū)域。運(yùn)算放大器用作電壓比較器：在同相輸入端是參考電壓VREF(之所以這么稱呼是因為它在輸入電壓變化時保持穩(wěn)定)，而在反相輸入端是將在反相輸入端產(chǎn)生的電壓輸出。

圖 1：帶運(yùn)算放大器的線性穩(wěn)壓器

運(yùn)算放大器輸出電壓 V OP-AMP可以計算如下：

V OP-AMP = A × (V NON-INV – V INV )

其中V NON-INV和V INV分別是同相和反相輸入端的電壓，而A是運(yùn)算放大器開環(huán)增益。理論上，A具有無限值，但實際上，最常見的運(yùn)算放大器的值在 100,000 到 1,000,000 之間。

如何改變輸出電壓

在圖 1的電路中，輸出電壓等于施加到運(yùn)算放大器同相輸入端的參考電壓?？梢酝ㄟ^兩種不同的方式獲得不同的輸出電壓值，但取決于齊納 V Z電壓。第一個涉及將可變分壓器與齊納二極管并聯(lián)，將其中央插座連接到運(yùn)算放大器的同相輸入端。第二種方法是指圖 2中所示的同相運(yùn)算放大器方案，與圖 1中的電路使用的配置相同。由電阻器 R 1和 R 2 構(gòu)成的分壓器是這樣的：

V OUT = V IN × ((R 1 + R 2 )/R 1 )

圖 2 基于運(yùn)算放大器的穩(wěn)壓器

一個例子如圖 3所示：在這種情況下，齊納二極管提供的參考電壓等于 5V，而輸入電壓等于 15V。利用圖 3所示的值，我們得到：

V OUT = 5 × ((10K + 10K)/ 10K)V = 10V

圖 3：線性降壓穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器：優(yōu)缺點

線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是成本低且易于使用。市場上可用的線性穩(wěn)壓器是高度集成的器件，引腳數(shù)量減少：這使設(shè)計人員能夠使用很少的外部組件輕松創(chuàng)建電源。此外，它們對負(fù)載電壓的變化提供快速響應(yīng)，產(chǎn)生幾乎完全無紋波的輸出電壓。與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，線性穩(wěn)壓器不受高頻開關(guān)產(chǎn)生的噪聲的影響。線性穩(wěn)壓器的主要缺點是效率低下，這主要是由于晶體管 Q 1 的功耗過大，其工作在線性區(qū)域。因為效率由 V OUT /V IN 給出因此，圖 3中的電路的效率等于 10 V/15 V = 66.6%，因此，33.4% 的能量以熱量的形式耗散。因此有必要提供適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，例如 PCB 上的散熱器或散熱層，由銅或其他金屬制成。

審核編輯：湯梓紅