一种低压差稳压电源设计

莆田十中：许剑伟

摘要：本文采用通用器件设计了一款多功能的低压差、高精度稳压电源，实现电池电压监视、自动开机、关机等功能。

关键词：LDO、稳压电源、AZ431、自动关机

正文：

在手持仪表中使用的稳压电源，一般要求提高电源利用效率，电路多采用低压差的稳压芯片。常用的低压差集成电路，如HT7533等，功能过于单一，稳压的最大电流偏小、效率也不满意，常常不能满足实际要求。

为此，本文采用分立元件制作线性稳压电源，实现多种功能，适合单片机控制。应用起来相对灵活，效率也比较高。实现可编程关机、开机、电压检测等功能，实践表明，实现相同功能，本文方案不会明显增加元件数量，甚至更简洁。

基本电路：

原理：

  AZ431是工业级电压基准，精度高，噪声小，很适合于仪表电源稳压。AZ431参考极电压是2.500V，当电压轻微偏移2.500V，就会引起阴极很强的电流变化。

电路中，当Vout下降时，AZ431参考极电压变小，阴极电流变小，A点电压上升，T2集电极电流增大，T1输出电流增大，使得Vout回升。这一反馈过程，使得输出电压Vout稳定。

图中，Vout输出电压是2.5*(10+2.7)/10=3.18V。因为AZ431精度高，所以本电路输出电压的设计值与实测值相差很小。

AZ431阴极电压最小为2.5V，最大为36V，须保证电压在此范围内才可正常工作。设计时，建议A点电压最小在2.65v以上。

因为T2的be结压降与二极管D1压降基本一致，所以A点与C电压比较接近，计算出C点电压，就可以估算出A点电压。空载时，Vout电压为3.18V，D1压降0.58V，得C点电压为3.18-(3.18-0.58)*1/(5.1+1)=2.75V。空载时，A点实测比C点略小，实测为2.72V(此时T2基极电流非常小，所以T2的be电压较小，A点电压稍偏低一点)，相反，满载时A点电压比C点电压略高。

D1的作用是使得T2能以更小基极电压提升获得R3、R4支路所能提供的最大下拉电流。T2基极在相同的极限电压提升下(电压提升越多，意味着输入要有更高的电压支持，影响电源效率)，引入D1后可以把R3、R4支路的电流设计得更小，起到减小功耗的作用。对与本电路，当A点电压上升到接近于Vout，R3支路的电流接近于0，R4所提供的下拉电流全部提供给T2，稳压电路获得最大输出电流。此时T2的be结压降为0.65V，则R4电流为(3.18-0.65)/5.1=0.5mA，T1放大倍取200，则最大输出为0.5mA*200=100mA。在最大输出电流状态下，输入电压Vin要求在3.7V左右，这因为AZ431最小工作电流在0.4mA到1mA，按1mA计算的话，Vin=A点电压+R5压降=3.18+510*0.001=3.7V。实验时，采用的器件参数指标优于以上估值，实际在3.5V左右也能获得100mA的输出。

此外，D1有一定的温度补偿作用，可以起到防止T2温漂引起A点电压不理想。PN结的温度系数约为-0.22mV/度，温度升高40度，T2的be结电压下 90mV左右。本电路A点电压是2.7V左右，当环境温度上升较大，T2的be结电压可能下降50mV甚至100mV，如果没有D1补偿，A点电压可能下降到2.6V，这会使得AZ431的工作点不够理想。

电路中，负载为容性，随频率升高，反馈电路产生接近90度移相，当AZ431内部也产生接近90度移相，那么总移相将接近180度，电路容易自激。此类电路，不可避免出现接近90度移相的容性负载，防止自激的最简单方法就是减小环路增益。

AZ431自激频率在几十kHz到几百kHz范围，如果在50kHz时，环路总增益就已远小于1，那么AZ431就不会自激。按图中参数计算，50kHz下，负载100uF电容的容抗为0.03欧，反馈增益约为200*0.03欧/1k欧=0.006，此时，AZ431的增益约为60倍，环路总增益为0.36。按上术方法计算，如果算得增益大于3.6，自激的可能性增加很多，即使调试时不自激，批量制作时也可能部分出现不稳定现象。

扩展应用：

1、如下图，再加入T3、T4等辅助元件，就可以实现一键起动电源以及单片机控制下自主关机功能。

按下“启动”键，T3就能够给AZ431提供阴极电流，稳压电源开始工作，单片机获电工作，由单片机将图中的“继流”端子下拉到零电平左右，T3、T4导通，继续给AZ431提供电流，即使断开“启动”键，电源仍然稳定工作。实际上，图中的5.1k继流电阻，改用10k或50k也可以正常工作，而且更省电。

如果需要定时关机，则由单片机放开继流端子，稳压电源停止工作。停止后，输入电流接近于0，远小于1uA

电路中还利用5.1k电阻提取出按键信号，单片机可以识别并充分利用此键，以减小按键数量。

2、如下图，电路中增加了两个100k欧取样电阻，从T3的集电极采样电压，送入单片机的电压测量端口，实现对输入电源(电池)电压的监控，方便我们对电池剩余容量分析。

电压取样不是直接从电池上获得，有小量偏差，计算时应补上T3的ce压差，大约是0.01v。如，测值3.5V，那么电池电压应为3.5+0.01=3.51V

当电源停止工作后，取样电阻不消耗电能。

对于锂电池，电压低于3.7V，说明电池已失去大部分电能，低于3.5V，电量将极速耗尽。

在某些应用中，要求设备间歇式工作，以进一步减小功耗，这时，就可以利用定时芯片(如PCF8563)来启动这个稳压电源。定时器将图中左边的100k电阻下拉即可启动电源，若要关闭电源则由单片机断开“续流”端子，并取消定时器中断。

总结：

本电路采用通用器件，取材容易，能够很方便的实现一些特殊应用的要求。稳压精度、纹波抑制等指标均比较满意，适合3.7V锂电池供电稳压电源应用。

注明：该论文于2015年11月在《新教育时代》第67期发表

作者：福建省莆田市秀屿区莆田第十中学 许剑伟 13850262218