CN106354188B - 一种线性稳压电源及调整方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种线性稳压源及调整方法，解决电源输出电压温漂大、长期稳定性差问题。线性稳压电源包括运算放大器、三极管V1‑V2、电阻R1‑R7、电容C1‑C5、基准电压源。运算放大器是控制器，三极管V1调整输出电压；三极管V2改变三极管V1的基极工作点。电容C2、C1分别是输入、输出电容。R1、C4和R3组成启动电路。电阻R7、R4、电容C3、C5是相位调整器件。电阻R2、R6为采样电阻。基准电压源提供电压基准，输出电压值被电压基准和采样电阻所确定。本发明的调整方法包括调整电容C3、C5和电阻R7值改变电路纹波抑制特性；调整电阻R4值使电路不发生环路振荡；调整电阻R1、R3、R5、R8值使三极管V2工作在线性区。本发明实现了低成本、高稳定度、低压差的线性稳压电源。

Description

一种线性稳压电源及调整方法
技术领域
本申请涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种高稳定度的线性稳压电源。
背景技术
线性电源噪声低、安全系数高，是很多设备的必备电路组件。有些特殊设备，比如原子钟，其核心性能往往受线性电源输出电压波动的影响，造成频率长期稳定性差、温度系数大等问题。在市售的成品线性稳压器芯片中，很少外置电压参考端，因此其电压稳定性受制于芯片内部的电压基准的性能，而其内部参考电压性能往往不高，不能满足特殊任务的需求。
发明内容
本发明提供一种线性稳压源及调整方法，解决电源输出电压温漂大、长期稳定性差等问题。
本申请实施例提供一种线性稳压电源，其特征在于，包括运算放大器、三极管V1-V2、电阻R1-R7、电容C1-C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；三极管V1、V2为晶体三极管；电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的基极；三极管V1的发射极接所述输入电压端、集电极接所述输出电压端、基极接三极管V2的集电极；电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的直流工作电压由所述三极管V1的集电极提供；所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地。
作为本发明可选择的实施例，进一步地，所述三极管V1为PNP三极管；所述三极管V2为NPN三极管；所述运算放大器的VDD端接所述三极管V1的集电极；所述运算放大器的VEE端接地。
作为本发明可选择的另一实施例，进一步地，所述三极管V1为NPN三极管；所述三极管V2为PNP三极管；所述运算放大器的VEE端接所述三极管V1的集电极；所述运算放大器的VDD端接地。
作为本发明进一步优化的实施例，上述实施例所述三极管V1可以更换为场效应管。具体地，PNP三极管更换为PMOS管；NPN三极管更换为NMOS管。所述场效应管的栅极对应所述晶体三极管的基极；所述场效应管的源极对应所述晶体三极管的发射极；所述场效应管的漏极对应所述晶体三极管的集电极。
所述电阻R2、R6为采样电阻，所述基准电压源用于提供电压基准，由于所述运算放大器的虚短作用，所述输出电压端的输出电压值被所述电压基准和采样电阻所确定。优选地，所述电阻R2、R6为低温漂的高精度电阻。一种线性稳压电源调整方法，用于本发明任意一项实施例所述线性稳压电源，包含以下步骤：
调整电容C3、C5和电阻R7的值，改变电路纹波抑制特性；
调整电阻R4的值，使电路不发生环路振荡；
调整电阻R1、R3、R5、R8的值，使三极管V2工作在线性区。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明是用独立的电压基准、运算放大器、三极管、低温漂采样电阻作为核心部件，构成线性稳压源电路，其输出电压稳定性取决于采样电阻和电压基准的性能，大大优于市售成品芯片。本发明中，外接电压基准有利于实现电压高稳定度，且使用运算放大器实现很高的闭环增益，也有利于稳定性的提高。尤其是在高可靠原子钟设计中，只能选用种类有限的高质量等级器件，本发明中整个电路可使用通用器件搭建，实现低成本、高稳定度、低压差的线性稳压电源，使用通用器件搭建高性能电路，这在高可靠产品的设计中非常重要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为使用PNP三极管做电压调整的线性稳压电源的实施例
图2为使用NPN三极管做电压调整的线性稳压电源的实施例
图3为使用PMOS场效应管做电压调整的线性稳压电源的实施例
图4为使用NMOS场效应管做电压调整的线性稳压电源的实施例
图5为本发明线性稳压源调整方法的实施例流程图
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明对电路给出四种实施例如下：1、三极管V1为PNP三极管、三极管V2为NPN三极管；2、三极管V1为NPN三极管、V2为PNP三极管，用于负电压；3、三极管V1为PMOS场效应管、三极管V2为NPN三级管；4、三极管V1为NMOS场效应管，三级管V2为PNP三极管，用于负电压。所述运算放大器的直流工作电压由所述三极管V1的集电极(或漏极)提供；当输入电压为正值时，接入运算放大器的VDD端；当输入电压为负值时，接入运算放大器的VEE端。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为使用PNP三极管做电压调整的线性稳压电源的实施例。
具体地，线性稳压电源包括运算放大器N1、三极管V1-V2、电阻R1-R7、电容C1-C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端。三极管V1为PNP三极管；三极管V2为NPN三极管。电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的基极；三极管V1的发射极接所述输入电压端、集电极接所述输出电压端、基极接三极管V2的集电极；电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；所述运算放大器的VDD端接所述三极管V1的集电极；所述运算放大器的VEE端接地；电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地。
在所述线性稳压电源电路中：
输入电压端，输入电压为Vin；输出电压端，输出电压为Vout。
运算放大器N1是控制器，三极管V1是调整管，用于调整输出电压；三极管V2是扩流管，用于改变三极管V1的基极工作点。电容C2和C1分别是输入电容和输出电容。
R1、C4和R3组成启动电路，还可设定扩流管V2的直流工作点。所述电容C4是一个容值较大的电容，例如几十uF。它与R1配合可在加电之初形成充电效应，在一段时间内为三极管V1基极提供一个低电压，使整个电路能够正常启动。
电阻R7、电阻R4、电容C3和电容C5是相位调整器件，可依据实际使用需求调整电路的纹波抑制比和环路稳定性。需要指出的是，所述电阻R4是一个小阻值电阻，例如小于10欧姆。
所述基准电压源提供参考电压为Vref(Vref与Vout符号相同)，用于提供电压基准，可接电压基准芯片从Vin变换得到，或其他类型的外部基准电压源的输出。
所述电阻R2、R6为采样电阻。由于所述运算放大器的正输入端和负输入端的虚短特性，所述输出电压端的输出电压值被所述电压基准和采样电阻所确定。优选地，所述电阻R2、R6为低温漂的高精度电阻。
电路正常工作时，所述运算放大器N1和三极管V1、V2均工作在线性区间，此时输出电压为：
公式1中R2和R6分别为电阻R2和电阻R6的值。在电阻R2和R6温度系数足够小的情况下，本发明能够使输出电压Vout的稳定性跟随基准电压源的稳定性，非常有利于提升原子钟等对电源敏感设备的性能。
图2为使用NPN三极管做电压调整的线性稳压电源的实施例。作为本发明进一步变化的实施例，将图1实施例所述三极管V1更换为NPN管、所述三极管V2更换为PNP管，则所述输入电压端的输入电压值、所述输出电压端的输出电压值均为负值。
线性稳压电源包括运算放大器、三极管V1-V2、电阻R1-R7、电容C1-C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；三极管V1为NPN三极管；三极管V2为PNP三极管；电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的基极；三极管V1的发射极接所述输入电压端、集电极接所述输出电压端、基极接三极管V2的集电极；电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；所述运算放大器的VEE端接所述三极管V1的集电极；所述运算放大器的VDD端接地；电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地。
图3为使用PMOS场效应管做电压调整的线性稳压电源的实施例。作为本发明进一步优化的实施例，图1实施例所述三极管V1还可以更换为场效应管，如图3所示，所述运算放大器直流工作电压由所述三极管V1的漏极提供；所述输入电压端的输入电压值、所述输出电压端的输出电压值均为正值。
具体地，线性稳压电源包括运算放大器、三极管V1-V2、电阻R1-R7、电容C1-C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；三极管V1为PMOS场效应管；三极管V2为NPN三极管；电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的栅极；三极管V1的源极接所述输入电压端、三极管V1的漏极接所述输出电压端、三极管V1的栅极接三极管V2的集电极；电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；所述运算放大器的VDD端接所述三极管V1的漏极；所述运算放大器的VEE端接地。电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地。
图4为使用NMOS场效应管做电压调整的线性稳压电源的实施例。作为本发明进一步优化的实施例，图2实施例所述三极管V1还可以更换为场效应管，如图4所示，所述运算放大器直流工作电压由所述三极管V1的漏极提供；所述输入电压端的输入电压值、所述输出电压端的输出电压值均为负值。
具体地，线性稳压电源包括运算放大器、三极管V1-V2、电阻R1-R7、电容C1-C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；三极管V1为NMOS三极管；三极管V2为PNP三极管；电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的栅极；三极管V1的源极接所述输入电压端、三极管V1的漏极接所述输出电压端、三极管V1的栅极接三极管V2的集电极；电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；所述运算放大器的VEE端接所述三极管V1的漏极；所述运算放大器的VDD端接地；电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地。
需要指出的是，在本发明的实施例中，Vref、Vout、Vin全为正电压或全为负电压。图1、3所示实施例中Vin>Vout；图2、4所示实施例中Vin<Vout。作为本发明可选择的实施例，正电压时Vin至少比Vout高0.6V，例如Vin是+15V，则Vout低于+14.4V即可；负电压时Vin要至少比Vout低0.6V。Vref除极性外无其他限制，例如在正电压时使用+5V和+2.5V。
图5为本发明线性稳压源调整方法的实施例流程图，用于本发明任意一项实施例所述线性稳压电源，由于所述各个电阻、电容值与方案中所采用的运算放大器、三极管参数有关、另外也与纹波抑制敏感频段范围有关，需要本方案的使用者进行具体的调整，调整的依据有两个：一是要环路稳定，不能发生振荡；二是电路对纹波的抑制特性曲线满足需要。
具体包含以下步骤：
步骤101、调整电容C3、C5和电阻R7的值，改变电路纹波抑制特性；
步骤102、调整电阻R4的值，使电路不发生环路振荡；
步骤103、调整电阻R1、R3、R5、R8的值，使三极管V2工作在线性区。
需要说明，在步骤101中，对电容C3、C5和电阻R7的值进行调整，使电路纹波特性满足指标需求。在步骤102中，电阻R4的值较小，例如小于10欧姆，根据实际调整达到的效果来确定。
下面进一步说明本发明电路的暂态效应和稳压作用。不失一般性，以图1所示实施例为例子。电路启动时，电容C4两端电压为0，运算放大器N1无电，三极管V2未导通，则三极管V1基极电压为0、发射极为输入电压Vin，V1导通，输出电压Vout逐渐升高。随后，当Vout上升到运算放大器N1的有效电源电压区间内时，运算放大器N1开始工作，输出高电压，三极管V2导通，继续维持三极管V1导通。输出电压Vout继续升高，当运算放大器N1反向输出端电压达到Vref时，运算放大器输出电压降低，三极管V2集电极电流减小，集电极电压升高，三极管V1电流减小，输出电压Vout降低，运算放大器N1反向输入端电压降低，闭环形成负反馈，当电路参数满足稳定条件时，环路趋于稳定，运算放大器N1、三极管V1、V2均停留在线性工作区，整个电路正常工作。
电路抵抗纹波和电压变化的过程与开机暂态过程是类似的，以正压电路为例，当输入电压变化时，三极管V1的射极电压变化，而瞬时其基极电压不变，此时输出电压开始变化，而同时，运算放大器的反向输入端就会检测到变化，运算放大器输出电压变化，进而控制所述三极管V1基极电压，使输出电压回到正常值，整个环路是个负反馈回路。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种线性稳压电源，其特征在于，包括运算放大器、三极管V1～V2、电阻R1～R7、电容C1～C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；
三极管V1为晶体三极管；
三极管V2为晶体三极管；
电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；
电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；
电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；
电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的基极；
三极管V1的发射极接所述输入电压端、集电极接所述输出电压端、基极接三极管V2的集电极；
电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；
电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；
电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；
电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；
所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；
所述运算放大器直流工作电压由所述三极管V1的集电极提供；
电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；
电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；
电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；
电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地；
所述电阻R2、R6为低温漂电阻；
其中，R1、R3、R4、R5、R7、R8可调，C3、C5可调；
电容C4容值为几十uF；电阻R4小于10欧姆；
输入电压端，输入电压为Vin；输出电压端，输出电压为Vout；基准电压源提供参考电压为Vref；Vref、Vout、Vin全为正电压或全为负电压；正电压时Vin至少比Vout高0.6V；负电压时Vin要至少比Vout低0.6V。
2.如权利要求1所述线性稳压电源，其特征在于，
所述三极管V1为PNP三极管；
所述三极管V2为NPN三极管；
所述运算放大器的VDD端接所述三极管V1的集电极；
所述运算放大器的VEE端接地。
3.如权利要求1所述线性稳压电源，其特征在于，
所述三极管V1为NPN三极管；
所述三极管V2为PNP三极管；
所述运算放大器的VEE端接所述三极管V1的集电极；
所述运算放大器的VDD端接地。
4.一种线性稳压电源，其特征在于，包括运算放大器、三极管V1～V2、电阻R1～R7、电容C1～C5、基准电压源、输入电压端、输出电压端；
三极管V1为场效应管；
三极管V2为晶体三极管；
电容C2一端接所述输入电压端，另一端接地；
电阻R1一端接所述输入电压端，另一端接R3和C4的连接处；
电容C4一端接电阻R1和R3的连接处，另一端接地；
电阻R3一端接电阻R1和电容C4的连接处，另一端接三极管V1的栅极；
三极管V1的源极接所述输入电压端、三极管V1的漏极接所述输出电压端、三极管V1的栅极接三极管V2的集电极；
电阻R8一端接三极管V2的发射极，另一端接地；
电阻R7一端接三极管V2的发射极，另一端串联电容C5；
电容C5一端与电阻R7串联、另一端接运算放大器的反向输入端；
电阻R5一端接三极管V2的基极，另一端接所述运算放大器的输出端；
所述运算放大器的正向输入端接所述基准电压源；
所述运算放大器直流工作电压由所述三极管V1的漏极提供；
电阻R6一端接所述运算放大器反向输入端，另一端接地；
电阻R2和电容C3并联，一端接所述输出电压端，另一端接所述运算放大器的反向输入端；
电容C1一端接所述输出电压端，另一端串联电阻R4；
电阻R4一端与电容C1串联、另一端接地；
所述电阻R2、R6为低温漂电阻；
其中，R1、R3、R4、R5、R7、R8可调，C3、C5可调；
电容C4容值为几十uF；电阻R4小于10欧姆；
输入电压端，输入电压为Vin；输出电压端，输出电压为Vout；基准电压源提供参考电压为Vref；Vref、Vout、Vin全为正电压或全为负电压；正电压时Vin至少比Vout高0.6V；负电压时Vin要至少比Vout低0.6V。
5.如权利要求4所述线性稳压电源，其特征在于，
所述三极管V1为PMOS三极管；
所述三极管V2为NPN三极管；
所述运算放大器的VDD端接所述三极管V1的漏极；
所述运算放大器的VEE端接地。
6.如权利要求4所述线性稳压电源，其特征在于，
所述三极管V1为NMOS三极管；
所述三极管V2为PNP三极管；
所述运算放大器的VEE端接所述三极管V1的漏极；
所述运算放大器的VDD端接地。
7.一种线性稳压电源调整方法，用于权利要求1～6任意一项所述线性稳压电源，其特征在于，包含以下步骤：
调整电容C3、C5和电阻R7的值，改变电路纹波抑制特性；
调整电阻R4的值，使电路不发生环路振荡；
调整电阻R1、R3、R5、R8的值，使三极管V2工作在线性区。
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