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技術(shù)專題
PCB布局中使用并聯(lián)穩(wěn)壓器
他們從未在電子課程中告訴您的一件事是，直流電源可能會(huì)產(chǎn)生噪音。您通常使用可提供干凈輸出的穩(wěn)壓隔離電源，因此很容易假設(shè)所有直流電源都以這種方式工作?，F(xiàn)實(shí)世界并非如此簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員需要多種方法來調(diào)節(jié)電路板上組件的DC電源。在各種方法中，我們有開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。
在線性穩(wěn)壓器類別中，并聯(lián)穩(wěn)壓器為設(shè)計(jì)人員提供了一種簡(jiǎn)單的方法，即通過將一些電流流向地面來調(diào)節(jié)DC電路中的功率。通過調(diào)制調(diào)節(jié)元件，可以將DC電壓保持在相對(duì)穩(wěn)定的值。同樣，某些并聯(lián)穩(wěn)壓器可以向穩(wěn)壓器的輸入部分提供過壓保護(hù)，這一功能可能僅在集成電路中才能找到。這是您如何設(shè)計(jì)自己的并聯(lián)穩(wěn)壓器以及如何將其放置在PCB布局中的方法。
下面的電路圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的并聯(lián)穩(wěn)壓器。在該電路中，齊納二極管以反向偏置運(yùn)行，并將其飽和電流饋入NPN晶體管，該晶體管打開晶體管中的導(dǎo)電通道，并允許電流流過發(fā)射極并流向地面。通過將電路I中的電流保持在幾乎恒定的水平，這提供了維持穩(wěn)定的輸出電壓所需的降壓調(diào)節(jié)作用。
通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚?span>R可以設(shè)置輸出電壓，該電阻值R會(huì)降低一些輸入電壓，而其余的則根據(jù)基爾霍夫電壓定律傳遞到輸出。如果要濾除輸入和輸出上的任何噪聲，可以在輸入和輸出上放置大型并聯(lián)電容器。請(qǐng)注意，下面的電路顯示使用了未穩(wěn)壓的直流輸入，但是通過將穩(wěn)壓的直流電壓降低到較低的值，該電路可以提供與LDO相同的功能。
基本的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路，帶有齊納二極管和NPN晶體管。
下圖顯示了上述示例并聯(lián)穩(wěn)壓器中的效率與串聯(lián)電阻的關(guān)系。請(qǐng)注意，存在許多不同種類的并聯(lián)穩(wěn)壓器，并且可以從仿真數(shù)據(jù)或測(cè)量結(jié)果生成相似的效率圖。在該特定示例中，電路的效率在很大程度上取決于相對(duì)于輸出電壓的輸入電壓裕量。這與典型LDO穩(wěn)壓器的行為相符。
并聯(lián)穩(wěn)壓器中的效率與串聯(lián)電阻的關(guān)系。
二極管和晶體管的操作
使并聯(lián)穩(wěn)壓器正常工作的關(guān)鍵是選擇合適的二極管和晶體管。上面所示的齊納二極管中的飽和電流將使NPN晶體管導(dǎo)通，然后使一些電流流入集電極。隨著輸入電壓和電流的波動(dòng)，二極管電流也將略有波動(dòng)，然后將調(diào)制吸收到晶體管中的電流量。這就是允許向上的電流波動(dòng)回落到地面，而不是傳遞到負(fù)載組件的原因。在輸出端增加一個(gè)并聯(lián)電容器是有用的，因?yàn)檫@有助于保持恒定的電壓，即使輸入電流的波動(dòng)幅度略有減小。
為了適應(yīng)該電路中的大電流波動(dòng)，晶體管需要提供高增益。但是，如果增益非常高，則會(huì)在晶體管上降低更多的功率，這意味著浪費(fèi)了熱量?；蛘?，可以將具有較低增益的晶體管與具有較大飽和電流的齊納二極管一起使用。需要仔細(xì)平衡這兩個(gè)參數(shù)，以確保您可以衰減任何預(yù)期的電壓波動(dòng)，而不會(huì)浪費(fèi)過多的電能。
的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
作為線性穩(wěn)壓器，并聯(lián)穩(wěn)壓器電路的效率將低于開關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)橐恍╇妷簳?huì)在串聯(lián)電阻器和晶體管兩端下降。換句話說，部分功率會(huì)因兩個(gè)組件之間的熱量而損失。效率只是輸出電壓與輸入電壓的比值，如以下方程式所定義。盡管效率較低，但它在某些情況下還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)，使其可取：
無需開關(guān)元件：與各種開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這些調(diào)節(jié)器不需要開關(guān)元件即可進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就無需為大型晶體管選擇PWM驅(qū)動(dòng)器。
低噪聲：因?yàn)闆]有開關(guān)元件，也沒有瞬態(tài)電流消耗，所以并聯(lián)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲非常低。噪聲源是從輸入到輸出的EMI傳導(dǎo)，可以使用濾波來抑制。
組件數(shù)量少：與更復(fù)雜，物理尺寸更大的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，并聯(lián)穩(wěn)壓器的組件數(shù)量少，可以降低成本。
低輸出紋波：齊納二極管和晶體管的共同作用允許對(duì)電流進(jìn)行寬帶調(diào)節(jié)，直到晶體管的相關(guān)帶寬。只要輸入電流不太大，這有助于將輸出紋波保持在較低水平。
并聯(lián)穩(wěn)壓器的布局
一旦你設(shè)計(jì)和模擬你的分流穩(wěn)壓器，你需要把它放在你的PCB布局。布置這些電路時(shí)，應(yīng)遵循以下基本技巧：
寄生蟲：用于低壓的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路足夠小，可以放在較小的電路板空間中，并且您應(yīng)保持組件緊密封裝，以將寄生蟲降低到較低水平。在電路下方放置一個(gè)接地層，以確保電路與噪聲隔離。
組件尺寸：如果您期望系統(tǒng)中的輸入電壓/電流有較大波動(dòng)，則需要使用物理上較大的組件來提供調(diào)節(jié)和承受熱量。選擇組件和規(guī)劃布局時(shí)，請(qǐng)記住這一點(diǎn)。
散熱：由于這些組件會(huì)抑制通過電阻器和晶體管的電流波動(dòng)，因此這些電路會(huì)發(fā)熱。您可能需要使用散熱器來散發(fā)足夠的熱量，以使組件保持涼爽。