《電子技術(shù)應用》
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基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計[圖]
摘要: 利用分立器件設(shè)計一種低壓差穩(wěn)壓電源電路。電路器件選用常規(guī)器件,成本低。結(jié)構(gòu)簡單。實際電路經(jīng)實驗測試,具有很好的負載特性和電壓穩(wěn)定性。
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1 引言

穩(wěn)壓電源模塊在電路中使用廣泛,目前流行的如LM78、ASM117系列等,多數(shù)只有3個引腳,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。通常輸入與輸出之間的壓差大于2V才能正常工作,但對較低電壓電池供電的場合。一般增加2V的供電電源需增加20%~40%(對應輸出3V或5V)的成本和體積。用開關(guān)電源原理制作的低壓差模塊(如MAX605),可在輸入電壓與輸出電壓近乎相等的情況下輸出穩(wěn)定的電壓,但對測力等電路需電源紋波較小的情況。針對上述問題。利用分立器件設(shè)計一種低壓差穩(wěn)壓電源電路。電路器件選用常規(guī)器件,成本低。結(jié)構(gòu)簡單。實際電路經(jīng)實驗測試,具有很好的負載特性和電壓穩(wěn)定性。

2 電路工作原理

圖1為低壓層直流穩(wěn)壓電源電路原理圖。該電路是由基準電壓、電壓放大和電流放大等3個環(huán)節(jié)組成。其中,基準電壓由TL431產(chǎn)生,按圖1中電路連接,當通過R0的電流在0.5~10mA時可獲得穩(wěn)定的2.5V基準輸出。

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

輸出電壓的具體數(shù)值由運算放大器UA確定,采用同相放大器的優(yōu)越性在于其輸入阻抗極大,可很好地將TL431輸出的2.5V電壓與后級電路隔離,使其不受負載變化的影響;運放與電阻R3和R2組成比例放大環(huán)節(jié),可對基準電壓按要求進行比例放大輸出,但輸出電壓最大不能超過運放的電源電壓。

電流放大采用兩個三極管,UA通過驅(qū)動調(diào)整管VQ2控制調(diào)整管VQ1,組成反饋實現(xiàn)電流放大環(huán)節(jié),對輸出電壓進行調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。二極管VD在運放UA低壓輸出時使調(diào)整管VQ2基極一發(fā)射極電壓為負,使VQ2立即進入截止狀態(tài),電流Ic2迅速降低,VQ2的VCE升高導致VQ1的基極電壓升高,使VQ1的基極電流IB減少,進而減少輸出電流ICQ1(βIB);反之同理。RL是輸出負載,C0和C1是濾波電容。

3 電路主要參數(shù)設(shè)計

3.1 控制環(huán)節(jié)設(shè)計

控制環(huán)節(jié)回路等效圖如圖2和圖3所示,其中圖2為比例電壓增益原理圖,圖3為電流放大原理圖。

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計
     基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

按照圖2和圖3,可得出控制環(huán)節(jié)回路方程:

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

式中,Irg為運放UA的輸出端1的輸出控制電流。

由式(2)可知,Irg通過控制VQ2啦的電流IC2控制VQ1的基極電流,IB1,R8控制調(diào)節(jié)管VQ2,進而控制VQ1的輸出電流IC1,VQ2是與VQ1形成串聯(lián)負反饋,無需進一步放大VQ1的輸出電流IC1,用R8對IC1分流。電路輸出電壓Vcc為5V,驅(qū)動額定負載是350Ω,供電電源是標準7V輸出的電池。運算放大器選LM358,取R1、R2為10kΩ,TL431電流范圍是100~150mA,選用R1=3kΩ,符合要求。VCC=(1+R2/R1)x2.5=5V。合理選取R8和R9的電阻值,使VQ1和VQ2均工作在線性區(qū)。

3.2 調(diào)整管的選取與靜態(tài)工作點的設(shè)置

調(diào)整管VQ1和VQ2主要參數(shù):(1)反向電壓VCEO不小于Vin的2倍的裕量;(2)最大允許電流ICM,不小于輸出電流I0的2倍的裕量;(3)耗散功率PCM應在功率損耗的安全區(qū)內(nèi);通常為了安全可靠,參數(shù)應按照實際值的幾倍選取。設(shè)置適當?shù)撵o態(tài)工作點(即確定基極靜態(tài)電流Ih,發(fā)射極電流Ie,集電極一發(fā)射極靜態(tài)電壓Uce),可以在保證輸出穩(wěn)定精度的同時使調(diào)整管的損耗最小。合適的靜態(tài)工作點首先要求調(diào)整管工作在放大狀態(tài),其次要滿足電網(wǎng)和負載波動情況下,Ib、Ie、Ucc盡量小,以減少損耗。設(shè)置靜態(tài)工作點要選擇合適的驅(qū)動管VQ1和偏置電阻R8、R9。VQ1的靜態(tài)工作點為:

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

式中,Irg為運放的控制輸出信號,Vin為電源電壓,Vcc為5V輸出電壓,RL為額定負載200Ω,VD是二極管導通電壓0.7V。

由式(3)和(4)可以確定VQ2的參數(shù),然后,計算電阻R9:

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

使用放大倍數(shù)β1、β2在30-80之間的調(diào)整管,放大倍數(shù)較大的調(diào)整管消耗功率較小,但穩(wěn)定性降低,這里選取β為50,設(shè)計供電電源在5.2~9V之間波動,為了防止電源電壓高時燒毀調(diào)整管VQ2,加約1kΩ的電阻R8以限流保護。  

3.3 過流保護電路的設(shè)計

圖3中,電阻Ri與三極管VQ3組成過流保護環(huán)節(jié)。輸出電流過大時,取樣電阻Ri上的電壓大于0.7V,VQ3導通,迫使調(diào)整管基極電壓Vbe降低,直到關(guān)閉電源輸出。R4=0.7/kIC。其中,LC為輸出電流,K為最大過流系數(shù),通常取值約1.5。R7=(Vcc-Uce3)/Ie3≈Vrg/Ic3,限制Ic3不宜過大,以免VQ3過流損壞。

4 試驗

圖4為設(shè)計的一個直流穩(wěn)壓電源模塊,輸入電源為直流5~9V的蓄電池組;分別對設(shè)計電路進行電源特性和負載特性試驗,其中負載特性試驗以輸入的6.5V蓄電池模擬實際使用工作環(huán)境。圖5為其試驗記錄結(jié)果。輸出紋波試驗數(shù)據(jù),當電源輸入電壓為5-11V,輸出紋波為5~8mV。

基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計
     基于TL431的低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

5 結(jié)束語

通過分析與試驗可看出,該直流電源穩(wěn)壓模塊具有穩(wěn)壓精度高、負載特性好等特點,且電路簡單,另外可利用接口P0監(jiān)測實際電源,此電路已投入生產(chǎn),通過實踐檢驗該電路設(shè)計性能可靠,耗電少,可很好滿足單電源供電應用情況。

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