CN216901467U

CN216901467U - 一种低压降高性能小型稳压器

Info

Publication number: CN216901467U
Application number: CN202123331071.4U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔燚
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2031-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种低压降高性能小型稳压器，电压Ui依次通过电阻R1、晶体管T1的E‑C极、电阻R2连接地，晶体管T1的e极通过正向二极管D1连接地，不稳电压Ui同时连接晶体管T3的e极，电压Ui通过电阻R6同时连接晶体管T3的基极、以及晶体管T4的e极，晶体管T4的基极依次通过电阻R3、晶体管T2的C‑E极连接地，晶体管T1的c极连接晶体管T2的基极，晶体管T3的c极连接晶体管T4的基极，晶体管T4的c极通过正向电解电容C1连接地，晶体管T4的c极同时依次通过电阻R4、电位器P1的电阻体、电阻R5连接地，电位器P1的滑动端连接晶体管T1的基极，晶体管T4的c极输出稳定电源Uo。

Description

一种低压降高性能小型稳压器

技术领域

本实用新型涉及一种稳压器设计的技术，尤其一种低压降高性能小型稳压器，这款电源的输出、输入电压降落可以控制在1V之内，所以该款电源具有较高的转换效率，如果不考虑限流功能，其效率更高。

背景技术

利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压，按调整管的工作状态分为线性稳压电源和开关稳压电源，线性稳压电源的结构一般是串联式稳压电源。

开关稳压电源是调节高频交流脉冲的占空比或频率通过储能元件电感电容来调整输出电压，开关稳压电源的优点是电压转换效率高,缺点是输出纹波较大，有时会对电路产生高频干扰。

当系统中输入电压和输出电压接近时，线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用线性稳压器，尽管电池最后放电能量的百分之十可能没有使用，但是线性稳压器仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

线性串联式稳压电源是通过调节调整管的动态电阻来调整输出电压,线性稳压电源的优点是输出纹波小。

但普通线性稳压器的严重缺点是输入、输出之间电压降落过大，在输入输出压差大的情况下稳压器的转换效率非常低,发热严重，如三端稳压78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。

设计一款输入、输出之间低电压降落的高性能小型线性稳压电源，由于较低功率的晶体管其饱和电压降落可以低到0.3V，故我们设计的稳压电源其不稳输入电压比所要求的输出电压仅需高出0.35V即可。

另外，如果稳压电源需要限流控制，限流电阻上产生的电压降也仍然可以控制在0.5v之内，故这款电源的输出、输入电压降落可以控制在1V之内，所以该款电源具有较高的转换效率，如果不考虑限流功能，其效率更高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的直流稳压器设计的技术。

为实现上述目的，本实用新型提供一种低压降高性能小型稳压器，其包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电位器P1、负载R_L、电解电容C1、发光二极管D1，不稳电压Ui依次通过所述电阻R1、所述晶体管T1的E-C极、所述电阻R2连接工作地，所述晶体管T1的发射极通过正向所述发光二极管D1连接工作地，不稳电压Ui同时连接所述晶体管T3的发射极，不稳电压Ui通过所述电阻R6同时连接所述晶体管T3的基极、以及所述晶体管T4的发射极，所述晶体管T4的基极依次通过所述电阻R3、所述晶体管T2的C-E极连接工作地，所述晶体管T1的集电极连接所述晶体管T2的基极，所述晶体管T3的集电极连接所述晶体管T4的基极，所述晶体管T4的集电极通过正向所述电解电容C1连接工作地，所述晶体管T4的集电极同时依次通过所述电阻R4、所述电位器P1的电阻体、所述电阻R5连接工作地，所述电位器P1的滑动端连接所述晶体管T1的基极，所述晶体管T4的集电极输出稳定电源Uo，稳定电源Uo通过所述负载R_L连接工作地。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是传统线性串联式稳压电源原理图；附图2是传统线性稳压器的最大效率与U_O/Uin之比的关系；附图3是低压降高性能小型稳压器原理图。

具体实施方式

由于本文所设计的稳压电源同样属于线性稳压电源，故有必要首先介绍传统线性串联式稳压电源的结构，以此作为比较，从而体现本实用新型的优点，传统线性稳压电源电路结构如图1所示。

图1是一种非常成熟的传统线性稳压电源电路，工作原理不再赘述，这种传统线性稳压器的最大效率与U_O/U_IN之比成比例，如图2所示。

由图2可以看出，当输入为12V且输出为3.3V时，传统线性稳压器的效率仅为27.5%.在此场合中，82.5%的输入功率完全浪费掉了，并在稳压器中产生了热量。这意味着晶体管必须具备在最坏情况下（最大U_in和满负载）处理其功率/热耗散的热能力。因此，传统线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是在U_O远远低于U_in的时候。

另一方面，线性稳压器可以在U_O接近U_in的情况下具有非常高的效率，然而，普通线性稳压器存在另一个局限性，即U_in和U_O之间的最小电压差，要求晶体管T必须在其线性模式中运作，如图1。

于是，其在双极型晶体管的集电极至发射极两端或FET的漏极至源极两端需要一个确定的最小电压降。当U_O过于接近U_in时，传统线性稳压器也许不再能够调节输出电压。

另外，还有一个明显之处就是线性稳压器包括本文设计的稳压电源只能提供降压DC/DC转换。在那些要求U_O电压高于U_in电压，或者需要从一个正U_in电压产生负U_O电压的应用中，线性稳压器显然是不起作用的。

现有资料给出：对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流，其中PNP晶体管优于NPN晶体管，因为PNP晶体管的基极可以与地连接，必要时可以使晶体管完全饱和，较低功率的晶体管其饱和电压降落可以低到0.3V。NPN晶体管的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个U_be的结压降（这时U_cb=0）。因此，NPN晶体管和复合调整管不能提供小于1v的电压差。

PMOS晶体管和PNP晶体管可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和功耗最小，从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降，它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS 晶体管通常用作外部器件,特别当控制大电流时,从而使误差放大器IC构成一个控制器，而不能构成一个自身完整的稳压器。

普通稳压器一般用NPN管或NPN复合调整管作为调整管，为了获得较低电压降落，本文设计的低压差稳压器以PNP晶体管作为调整管。

大多数稳压电源的输入电平必须比要求的输出电压高几伏，如果由于某种原因在稳压器输入端只有很低的电压用于启动，如6V或4.7V电池电压作为稳压器输入电源，那么输出的电压范围便有一定的限制，因为必定有较少几伏电压白白浪费，例如希望输出稳定的5V电源或3V电源。

在这种情况下，使用一般的集成电路稳压器如7805等是不可能实现的，但可以利用分立元件设计所希望的稳定电源，如图3所示，该电路采用6V输入电压，提供稳压的5V输出电压，这对于采用6V电池供电的工作设备是非常理想的。

从图3可以看到，该低压降高性能稳压器包括功率调整电路、限流电路、电阻分压器电路、基准电压产生电路、电压反馈电路、滤波电路。

工作原理比较容易理解，负载R_L接至PNP功率调整管T₄的集电极，这意味着这一调整管T₄可以硬导通进入饱和，因此，T₄的发射极-集电极上的压降只是很小的饱和导通电压，当然，这一电压的大小与晶体管型号及通过晶体管E-C的电流有关，在图3所示的电路中，最大输出电流为0.5A时，T₄的电压损耗（压降）仅为0.2V，当然，如果有限流电路的存在，还要考虑限流电路所要求的限流电阻R₆上的压降。

限流电阻R₆的阻值为1Ω左右，故其上的压降约为0.5V，R₆的压降为晶体管T₃的发射结提供开启电流，当工作电流超过预期电流时，R₆的压降增大，导致晶体管T₃导通量加大，调整管T₄的基极电压升高，T₄导通量减弱，输出电流降低，从而保证稳压电源的输出电流不会超出预期电流。

发光二极管D₁的存在有两种目的，第一用作供电指示器，第二用作基准电压二极管，由于D₁起基准电压源的作用，故其必须是红色的LED，3mm红色发光二极管的工作压降通常为1.8V，故在晶体管T₁的发射极调定为1.5V~1.8V的电平。

输出端5V稳定电压依次通过电阻R₄、电位器P₁、电阻R₅连接工作地构成电阻网络分压器，为由晶体管T₁和晶体管T₂构成的反馈电路提供采样反馈电压，晶体管T₁的基极激励电流取自于电阻分压器电路，所以T₁的导通电流是大还是小，取决于发光管D₁决定的基准电压与采样反馈电压的差。

一旦输出电压U_O超过预期5V，反馈电压增大，晶体管T₁的导通电流增大，电阻R₂上的压降增大，晶体管T₂的导通量加大，电阻R₃上的压降增大，调整管T₄的导通量降低，输出电压U_O恢复预期大小，T₁的集电极保持稳定的电压输出。

反之，如果输出电压U_O低于预期5V，反馈电压降低，晶体管T₁的导通电流减小，电阻R₂上的压降减少，晶体管T₂的导通量减小，电阻R₃上的压降减少，调整管T₄的导通量加大，输出电压U_O恢复预期大小，T₁的集电极保持稳定的电压输出。

简言之，反馈电压若有变化，T₁的导通电流变化加至T₂，T₂的导通电流变化再向T₄提供同样大小变化的基极激励电流，调整管T₄相当于一个可变电阻，其上的电压降促使稳压器的输出电压保持稳定输出。

电解电容C₁用于对输出级进行滤波，电阻网络电阻R₄、电位器P₁、电阻R₅作为分压器的同时，也可作为稳压器的假负载，以代替真负载，所以稳压器的输出允许空载。

调试及注意事项：为了最求较低的输入-输出压降，调整管T₄的选型非常重要，图3所示T₄的型号选型为BD438，其各项参数恰好符合需求，若需要替换件，BD136、BD138、BD140也可代替BD438，但是，后者这些替换件确实有稍高一些的饱和导通电压，稍逊于需求。

基准二极管或发光二极管D₁因为起基准源的作用，它必须是红色的LED，其它颜色的LED具有不同的电气参数，不要随便替换，若希望用其它颜色的LED作为基准源，需要相应修改其它元器件的参数，特别是电阻及电位器的调整。

其它LED的电气参数可以简单介绍如下：

直插LED压降：红：1.5V-1.8V；黄：1.8-2.0V；绿：3.0-3.2V；额定电流约20mA。

贴片LED压降：红：1.82-1.88V，电流5-8mA；绿：1.75-1.82V，3-5mA；橙：1.7-1.8V，3-5mA；兰：3.1-3.3V，8-10mA；白：3-3.2V，10-15mA。

该稳压电源虽然结构简单，但具有不同于一般稳压器的多个优点，表现为不但具有很好的稳压特性，还具有低压降的独特优点，第三具有限流功能，其优良表现值得推广。

Claims

1.一种低压降高性能小型稳压器，其特征在于：所述稳压器包括晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3、晶体管T4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电位器P1、负载R_L、电解电容C1、发光二极管D1，不稳电压Ui依次通过所述电阻R1、所述晶体管T1的E-C极、所述电阻R2连接工作地，所述晶体管T1的发射极通过正向所述发光二极管D1连接工作地，不稳电压Ui同时连接所述晶体管T3的发射极，不稳电压Ui通过所述电阻R6同时连接所述晶体管T3的基极、以及所述晶体管T4的发射极，所述晶体管T4的基极依次通过所述电阻R3、所述晶体管T2的C-E极连接工作地，所述晶体管T1的集电极连接所述晶体管T2的基极，所述晶体管T3的集电极连接所述晶体管T4的基极，所述晶体管T4的集电极通过正向所述电解电容C1连接工作地，所述晶体管T4的集电极同时依次通过所述电阻R4、所述电位器P1的电阻体、所述电阻R5连接工作地，所述电位器P1的滑动端连接所述晶体管T1的基极，所述晶体管T4的集电极输出稳定电源Uo，稳定电源Uo通过所述负载R_L连接工作地。