三端集成穩(wěn)壓器擴(kuò)流方法分析
在電子電路中，直流穩(wěn)壓電源是其中必不可少的部分。線性穩(wěn)壓電源由于其穩(wěn)壓性能好，輸出紋波電壓小，電路簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用普遍。線性穩(wěn)壓電源中的穩(wěn)壓部分大多由三端集成穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。通過其將不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓輸出。
三端集成穩(wěn)壓器一般可分為固定式輸出和可調(diào)式輸出兩種類型。三端集成穩(wěn)壓器的芯片只引出三個(gè)端子，分別接輸入端、輸出端和公共端（或調(diào)整端），基本上不需外接元件，而且內(nèi)部都有限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)電路，使用十分安全、方便。
三端集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流為 ，與產(chǎn)品型號(hào)有關(guān)，具體的有0.1A，0.3A，0.5A，1.0A，1.5A，3A，5A和10A等幾種。在實(shí)際使用中，如果所需穩(wěn)壓電路的輸出電流超過三端集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流，就需要在原來基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)擴(kuò)流電路來擴(kuò)展輸出電流。本文以三端可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317K擴(kuò)流為例來說明三端集成穩(wěn)壓器擴(kuò)流的方法，并通過具體電路對(duì)其進(jìn)行深入分析。
1 LM317K工作原理
LM317K是一種三端可調(diào)式穩(wěn)壓器，其輸出電壓的范圍為 ，其最大輸出電流為1.5A。其典型的應(yīng)用電路如圖1所示。
圖1 LM317K典型應(yīng)用電路
在圖1中， 和 為取樣電阻。輸出電壓的計(jì)算公式為
（1）
式（1）中， [1]。因此，當(dāng) =0V時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)， 。
的取值方法有兩種：一種是取 ，此時(shí)的LM317K的最小負(fù)載電流 ， 選用6.8k 的可調(diào)電阻；另一種是取 ， ， 可選3.4k 的可調(diào)電阻。上述兩種取值下調(diào)整 時(shí)均可得到 的穩(wěn)壓輸出。 和 的作用是消除輸入端和輸出端可能產(chǎn)生的自激振蕩， 的作用是濾除 兩端的紋波， 和 為保護(hù)二極管，防止輸入端或輸出端發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)LM317K內(nèi)部放電而損壞芯片[2]。
若使用中需要LM317K構(gòu)成的穩(wěn)壓電路最大可輸出3A的電流，則可通過下面介紹的幾種方法來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流。
2 擴(kuò)流的方法
目前，三端集成穩(wěn)壓器擴(kuò)流的方法主要有晶體管擴(kuò)流、電阻擴(kuò)流和并聯(lián)擴(kuò)流三種。
2.1 晶體管擴(kuò)流
這種方法主要是通過在穩(wěn)壓電路中接入大功率晶體管來實(shí)現(xiàn)。
（1） NPN晶體管
這是一種經(jīng)常使用的方法，在穩(wěn)壓電路的輸入端和輸出端之間接入一NPN型大功率晶體管，如圖2所示。
圖2 外接NPN晶體管擴(kuò)展輸出電流電路
負(fù)載所需的大電流由大功率晶體管T來提供，而晶體管的基極由三端集成穩(wěn)壓器輸出端來驅(qū)動(dòng)。
由圖2可見，經(jīng)過擴(kuò)流后的穩(wěn)壓電路輸出電壓值已經(jīng)發(fā)生了變化， ， 是三端集成穩(wěn)壓器的固有輸出電壓值， 是外接T的發(fā)射結(jié)壓降值，因此采用這種方法擴(kuò)流后的穩(wěn)壓器輸出電壓值比原來固有的輸出電壓值降低了。為了克服擴(kuò)流后輸出電壓值下降的弊端，可將圖2電路做改進(jìn)，如圖3所示。
圖3 圖2改進(jìn)電路
圖3中接入了一個(gè)二極管D，用以補(bǔ)償晶體管發(fā)射結(jié)電壓 ，使電路的輸出電壓 基本上等于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓 。只要適當(dāng)選擇二極管的型號(hào)，并通過調(diào)節(jié)電阻
的阻值以改變流過二極管的電流，即可得到 ，此時(shí)，由圖3可見
同時(shí)，接入二極管D也補(bǔ)償了溫度對(duì)三極管 的影響，使輸出電壓比較穩(wěn)定[3]。
這種直接接入NPN型大功率晶體管擴(kuò)流的方法較為常用，但由于LM317K內(nèi)部電路限制，LM317K不直接配NPN型大功率晶體管。
（2） PNP晶體管
LM317K適合于PNP型大功率晶體管，用PNP型大功率晶體管擴(kuò)流的電路如圖4所示，將PNP型大功率晶體管的基極改接入三端集成穩(wěn)壓器的輸入端，因此不再影響三端集成穩(wěn)壓器固有的輸出電壓值，即 。
圖4 外接PNP型大功率晶體管擴(kuò)展輸出電流的電路
圖4中的電阻R是三端集成穩(wěn)壓器的泄流電阻，作用是使三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流不再流過外接擴(kuò)流晶體管T的基極。因?yàn)槿思煞€(wěn)壓器的所有偏置電流與調(diào)整端電流都從輸入端流入，若全部流經(jīng)T的基極，并經(jīng)過T的放大，那么三端集成穩(wěn)壓器的輸出端將需加接假負(fù)載來泄放這些對(duì)真正的負(fù)載無用的電流。R的選取原則是：
（2）
其中： 為三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流，其值約為10mA，設(shè)計(jì)中一般設(shè)定最小輸出電流約為數(shù)十毫安，因而R的選值約為幾歐姆即可[4]。在此可選擇R為3.3 。
經(jīng)擴(kuò)展后的輸出電流 。當(dāng) 時(shí)，僅LM317K工作；當(dāng) 時(shí)，LM317K和外接PNP型大功率晶體管一起工作。
（3） NPN+PNP晶體管
若使用中遇到要求必須用NPN型晶體管來擴(kuò)大LM317K輸出電流的情況，則可通過增加一只PNP型驅(qū)動(dòng)管與之配合來達(dá)到擴(kuò)流的要求，電路如圖5所示。
圖5 外接NPN配合PNP大功率晶體管擴(kuò)展輸出電流的電路
晶體管擴(kuò)流的方法應(yīng)用較為廣泛，擴(kuò)流較為靈活，在擴(kuò)流時(shí)選擇使用何種類型的大功率晶體管根據(jù)所使用的三端集成穩(wěn)壓器的型號(hào)和類型來決定。但晶體管擴(kuò)流法會(huì)降低穩(wěn)壓精度，增加穩(wěn)壓器的輸入和輸出電壓之差，這對(duì)大電流的工作的電源是不利的[5]。
三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部都有安全保護(hù)功能，但外接的擴(kuò)流晶體管卻沒有任何保護(hù)措施，在實(shí)際使用中，為了防止輸出端短路或其他原因引起輸出電流過大而損壞擴(kuò)流晶體管，需要在電路中增加限流保護(hù)電路。
2.2 電阻擴(kuò)流
這種方法是在三端集成穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間加入一個(gè)電阻R來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流目的，如圖6所示。
圖6 外接電阻擴(kuò)展輸出電流的電路
在圖6中，要擴(kuò)大的電流 與所選的電阻R關(guān)系為：
（3）
如前所述,要將LM317K最大輸出電流擴(kuò)展至3A，即要擴(kuò)大的電流為1.5A，若 =24V， =12V，則按上式計(jì)算可得R=8 ，可取標(biāo)稱值8.2 。此時(shí)，最大的負(fù)載電流
（4）
其中： 為三端集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流[6]。
由式（4）可知，該電路的最小負(fù)載電流為 。
因此，使用電阻擴(kuò)流法需要注意的是：
⑴ 輸入電壓 必須穩(wěn)定。若 不穩(wěn)定，則 也不穩(wěn)定，則輸出電流必然不穩(wěn)定。
⑵ 負(fù)載的最小電流必須大于等于 。
在圖6中，LM317K經(jīng)電阻擴(kuò)流后，要求負(fù)載電流必須滿足： 。而LM317K標(biāo)稱的最小負(fù)載電流為30mA，擴(kuò)流后電路的最小負(fù)載電流比擴(kuò)流前大得多。
由此可見，電阻擴(kuò)流的方法一般適合于小電流擴(kuò)流，當(dāng)需要擴(kuò)展的電流較大，輸入輸出壓差較大時(shí)，R的功耗也較大。
2.3 并聯(lián)擴(kuò)流
如果所需擴(kuò)展的電流較大時(shí)，可以采用將幾片三端集成穩(wěn)壓器并聯(lián)使用來達(dá)到擴(kuò)流的目的,但不能直接并聯(lián)使用，在并聯(lián)時(shí)應(yīng)注意使各片三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流都能維持在平衡狀態(tài)。將LM317K最大輸出電流擴(kuò)大至3A的并聯(lián)擴(kuò)流電路如圖7所示。
圖7 并聯(lián)擴(kuò)展輸出電流的電路
在圖7中， 用來平衡兩片LM317K的輸出電流。改變 的值即可調(diào)節(jié)輸出電壓。LM317K（1）和LM317K(2)的輸入端分別串接入 的電流取樣電阻 和 。當(dāng)LM317K（1）的輸出電流增大時(shí)， ↑→ ↑，給 的同相輸入端加一個(gè)信號(hào)，使其輸出電壓降低， ↓→ ↓→ ↓，維持 。反之，當(dāng) ↑→ ↑時(shí)，就給 的反向輸入端加一個(gè)信號(hào)，使 ↑→ ↑→ ↑，仍保持 。這樣，兩片LM317K的輸出電流總維持平衡狀態(tài)[7]。
通過并聯(lián)擴(kuò)流的方法來擴(kuò)展輸出電流時(shí)，擴(kuò)展的輸出電流必須成倍增加。擴(kuò)流的同時(shí)，也要成倍的增加三端集成穩(wěn)壓器的數(shù)目，電路的成本增加。但并聯(lián)擴(kuò)流法穩(wěn)壓精度高，在實(shí)現(xiàn)大電流擴(kuò)展時(shí)較為方便。
3 結(jié)束語
本文以LM317K為例介紹了三端集成穩(wěn)壓器的三種擴(kuò)流方法，并對(duì)其進(jìn)行了深入的分析和比較。晶體管擴(kuò)流法應(yīng)用最為廣泛，擴(kuò)流較為靈活，選擇合適的大功率晶體管最為關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)限流保護(hù)電路，但穩(wěn)壓精度會(huì)降低。電阻擴(kuò)流法方法最為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便，但輸出負(fù)載電流的范圍有限制，一般只適合于小電流擴(kuò)流的場(chǎng)合，尤其是輸出固定的三端集成穩(wěn)壓器使用較為方便。并聯(lián)擴(kuò)流法的穩(wěn)壓精度高，功耗小，但成本增加，且需要考慮并聯(lián)的三端集成穩(wěn)壓器輸出電流的平衡問題，可方便的實(shí)現(xiàn)大電流擴(kuò)流。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)擴(kuò)流的大小和使用的三端集成穩(wěn)壓器的型號(hào)來選擇合適的擴(kuò)流方法。
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