超低壓差穩壓技術

摘要：分析了線性穩壓器效率低的根本原因，針對典型的線性穩壓器存在的問題，提出一種線性超低壓差穩壓技術。

關鍵詞：MOSFET超低壓差穩壓器死區電壓調整管

Stabilized Voltage Technique with Ultralow Voltage Difference

Abstract: This paper analyzed the basic reason of lowefficiency of linear voltage regulator.In view of the problem of typical two? pole voltage regulator,put forward a technique of linear ultralow voltage? difference.

Keywords: MOSFET, Ultralow voltagedifference, voltage regulater, Dead? zone voltage, Regulator

1引言

線性穩壓電源曾以優異的性能，便宜的價格，簡單的結構等特點，被廣泛地應用到各種儀器中，而穩壓器性能的好壞將直接影響到儀器性能的優劣。盡管用雙極型調整管構成的線性低壓穩壓器的性能比較優良，但還存在若干不盡人意之處。

2線性穩壓器存在的問題

線性穩壓器最主要的缺點是效率低，如對于5V輸出型在交流電源電壓波動±20％的條件下，在電源電壓最高時和標稱值時的效率分別不高于27％和33％。而相同規格的開關穩壓電源的效率則可達70％。因此，在很多領域中不得不采用開關穩壓電源。對于開關穩壓電源，最大的缺點是尖峰與電磁干擾（EMI），如果能將線性穩壓電源的效率提高到與開關穩壓電源相當的水平，將優異的穩壓性能、較高的電源效率和可靠性集于一體，一定會開拓出線性穩壓電源應用的更加廣泛的領域。

線性穩壓電源的效率低，主要原因是調整管的最小壓差、整流效率、整流變壓器效率、電網電壓波動、整流濾波后的高幅值紋波（通常5V到8V甚至更高）等的影響。雙極型功率管導通死區電壓較高，一般為（2.5～4）V，致使穩壓器在低壓差甚至超低壓差時不能工作。正常工作電流較大時，穩壓器效率較低、耗能較大；采用多極放大，需要深度補償，從而影響響應速度，令穩壓器的穩定性能下降；若含有多輸入端開關變換器，在穩定一端電壓的同時將會引起負載電流的變化及其他輸出端電壓的改變。基于線性穩壓器的以上缺點，本文提出一種MOSFET超低壓差穩壓器，從根本上改善了穩壓器的性能。

3超低壓差穩壓技術的實現

在超低壓差整流電路中，橋式整流電路是不可取的，因為這種電路較雙半波整流電路效率低約10％。如果采用肖特基勢壘二極管或工頻同步整流器還會使整流的效率提高5％～10％。

提高穩壓器性能的根本途徑在于使穩壓器能夠在較低電壓差時具有穩壓能力。常規線性穩壓電路由于器件和電路自身的限制，調整管的最小壓差一般為4V。5V輸出的穩壓電路中，由此導致的效率不會高于55％，或損耗為4W/A。因此減小調整管最小壓差成為限制線性穩壓電源發展的主要焦點，目前3A以下輸出的低壓差線性集成穩壓器可使最小輸入輸出壓差減少到0.5V。這樣由于調整管的最小壓差造成的損耗減小到0.5W/A。而更高的輸出電流和更低的輸入輸出壓差，須選擇合適的穩壓電路形式和調整管。如采用UC3832高精度線性穩壓電路控制IC和低導通電阻的功率MOSFET，可使最小輸入輸出壓差為0.2V。為盡可能減小輸入輸出壓差，作者采用極低導通電阻（5mΩ）的功率場效應晶體管，可在15A輸出時僅有約100mV的壓降，連同電流檢測電阻的壓降（100mV），整個穩壓電路的最小輸入輸出壓差為200mV，是目前所有線性穩壓電路中最低的，效率可達96％。穩壓器在正常工作時電流較小，可以減小能量損失，提高效率，因此選擇MOSFET作為穩壓器的主要器件。

圖1幾種調整管輸出特性比較

圖2MOSFET與雙極型晶體管暫態特性比較

（10μF輸出濾波電容）

(a)LM317調整管(b)IRFZ20調整管

（1）從MOSFET的輸出特性來看，MOSFET呈電阻性，其驅動電流靜態幾乎為零，致使電流對應的漏－源電壓為零，且低額定電壓的MOSFET的導通電阻很低（數至數十毫歐)，因而最低工作電壓極低，可以達到0.1V或更低，工作壓降在（0.1～0.2）V即可正常工作，實現穩壓作用。從輸出特性來看，線性穩壓器開啟電壓較高，雙極型晶體管2N3055的死區電壓為0.25V，TIP100的死區電壓達到（1～1.5）V，即便使用低壓差輸出，最低工作壓降也將達到0.6V左右，如圖1所示。雙極型穩壓器相當一個可調電壓源，而MOSFET可視為一個可調電阻。并且MOSFET內部的反向二極管在反向偏置電壓時能夠起到保護的作用。而雙極型穩壓器若想實現以上功能，就必須外接反向二極管。這雖然可以實現同樣的功能，但卻使電路復雜化，不僅增大了整個穩壓器的尺寸，同時也增大了誤差，降低了效率和準確度。

（2）以MOSFET為主要器件的穩壓器，為一級放大，因此具有更好的穩定性。而由雙極型功率管制成的穩壓器的基極電流較大，工作點接近飽和區工作，因此穩定性不好。

（3）以多數載流子工作的MOSFET，其暫態響應速度比相應以少數載流子導電的雙極型晶體管快，通過圖2不難看出，MOSFET的輸出誤差遠遠小于雙極型調整管穩壓器。MOSFET的瞬時過載性能優越，瞬時電流可達到額定電流的4倍而不損壞；對于普通的雙極型晶體管，最高瞬時電流僅能夠達到其額定電流的1.5倍。

對于N溝道的MOSFET，在高速轉換時需要約10V的正向偏壓，因為MOSFET的輸入電流低，在電容充電過程中，可產生足夠的自偏壓，電路的輸入電壓與電流呈線性關系，輸入電壓降低，穩壓器的柵源電壓就降低。如圖3為MOSFET的接線圖，圖4為穩壓時的比較圖。

對于P溝道的MOSFET，如圖5所示，此電路的工作點只能在線性區。

用MOSFET做調整管，當額定電壓低于100V時MOSFET的導通壓降低于雙極型晶體管。如采用SMP60N03（30V、5mΩ）做為調整管，在輸出電流為10A、最低管壓降在200mV時仍能有效地穩壓。使這一項造成的損耗降到0.2W/A。其穩壓原理如下：輸出電壓經R3、R4分壓送到TL431的R端與TL431內部的2.5V精密基準比較放大后，在K端正輸出，控制MOSFET的柵極電壓，調節其漏極電流實現輸出電壓的穩定。如輸出電壓高于額定值，TL431輸出端電壓下降，使MOSFET的柵極電壓下降，漏極電流將小于負載電流，這時輸出濾波電容器向負載放電提供MOSFET輸出的不足部分，使輸出電壓下降回到額定值。

圖3MOSFET外圍元件設置與參數

圖4穩壓性能比較

圖5P－MOSFET電路

圖6限流型保護特性

圖7減流型保護特性

圖8UO/IO特性

圖5電路自身無過流保護功能，需附加過電流保護電路。由于超低壓差穩壓，并且大電流輸出，為確保高效率，不允許在主電路中串聯電流檢測電阻。因此采用檢測調整管壓降方式檢測過電流，由于采用了預穩電路，可確保負載正常時調整管壓降不超過0.8V，因此可取過電流保護閾值電壓為1.2V。當過電流或輸出短路時，調整管壓降必然增加，并超過整定閾值，使TL431的K端電壓降到飽和值，將MOSFET關斷。這種過電流保護電路無自動復位功能，需手動復位。

4超低壓差穩壓器的過電流保護

常用線性穩壓器的過電流保護方式主要有：限流型、減流型和截止型三種。

限流型的輸出特性如圖6所示。它的特點是：負載電流達到限流值，穩壓電源進入恒流狀態，負載電流被限制在限流值。這種電路的優點是：相對容易實現，并且可以全載起動。這種電路的最大缺點是：在過電流保護狀態下，調整管將承受限流值與壓差所產生的過分損耗，為確保調整管在過電流保護時不損壞，應該以過電流保護狀態下的功率損耗作為選擇調整管和熱設計的依據，這將使穩壓器的成本、體積和重量增加、可靠性降低。

減流型（又稱折返型）的輸出特性如圖7所示。它的特點是：穩壓電源進入過電流保護區，它的輸出特性為圖中的區域Ⅱ，即輸出電流隨輸出電壓而減小，可使調整管的損耗即使在過流保護時也不致于過大，其典型應用如三端集成穩壓器，這種過電流保護方式盡管在諸多場合下很適用，但在全載恒流特性和大多數模擬及數字電路的電源特性下（如圖8）可能會產生“鎖定”（Latchup）效應，即輸出電壓被鎖定在低于正常穩壓值的低電壓上不能正常起動。

為確保沖擊性負載或全載恒流起動，必須將過流保護點和正常最大工作電流間設置較大的裕量，容易使過電流的負載因沒有得到電源的保護而燒壞。

截止型的輸出特性如圖9。其特點是：當負載電流達到限流值時，過電流保護電路使穩壓電源進入截止狀態，并不再恢復，使穩壓電源與負載得到有效的保護。其優點是這時的調整管的功耗為零。而其最大缺點是在沖擊性負載時容易誤動作使穩壓電源進入截止狀態，而且一旦進入截止狀態后，既使過電流狀態解除，也不能自動復位。

5超低壓差穩壓技術的應用

對于利用電池供電的用電器，電池和穩壓電路性能的好壞將直接影響用電器的使用性能，采用超低壓差穩壓技術，可以在同樣的條件下，達到更長的穩定工作的時間，如圖10所示的電池放電的特性曲線，對于同樣的用電器，使用線性調整管穩壓器的電池壽命將遠小于使用MOSFET的超低壓差穩壓器，使用超低壓差穩壓器的電池壽命大約是使用雙極型調整管穩壓器的電池壽命的3倍左右。

圖9截止型保護特性

圖10電池壽命比較

6結語

MOSFET在穩壓器中的使用，大大提高了產品的可靠性和效率。同時減小了設備和儀器的尺寸和重量，并且延長了設備的使用壽命，尤其是對于使用電池作為電源的設備，更是極大地提高了它的可靠性、穩定性和使用壽命。對于普通的雙極型調整管穩壓器來說，輸入輸出電壓降到（0.2～0.6）V時，其工作效率將大大地降低；而MOSFET卻能夠在幾十毫伏下正常工作，因而降低了輸入電壓，減小了波紋電壓，提高了產品壽命。

參考文獻

1譚信.高效能低功耗晶體管線性穩壓電源.科學出版社，1983

2陳永真.效率與開關電源相當的線性穩壓方式.全國電源技術年會論文集.1997