电子工程专辑
UBM China

三端并联稳压器的隐藏应用

上网日期: 2006年07月25日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友

关键字:稳压器? 脉宽调制器? 自举电路? 偏置电源?

作者:德州仪器 Michael O'Loughlin

引言

众多半导体公司均推出了三端并联稳压器 (three-terminal shunt regulator)。此类器件带有内部基准精确度、运算放大器及内部并联晶体管,以精确控制供电电压。图 1 给出了典型的电路应用。三端并联稳压器是廉价的半导体器件,除了并联稳压器以外,其还具备其他有用的电源设计应用。这种半导体器件可用作廉价的运算放大器,用于控制回路反馈。该器件还可同晶体管及无源组件协同使用,又可用于快速自举电路。此外,这种器件经过配置,还可作为低功耗辅助电源工作,在轻负载操作条件下为脉宽调制器 (PWM) 控制器供电。尽管上述电路在并联稳压器的产品说明书上没有说明,但却是非常有用的应用。

运算放大器

在设计包含 PWM 而不含电压放大器的电源设计时,系统设计人员可采用并联稳压器作为廉价的运算放大器。图 2 给出了这种应用的功能结构图。方程式 1 解释了这种补偿网络的小信号传输函数的数学原理。

注释:方程式 1 建立在 Rbias << Rz 的基础上。

我们可向电路添加光耦合器,以实现一定程度的电隔离 (galvanic isolation)。图 3 给出了隔离的反馈电路的示意图。电阻器 R1 用于向光耦合器及 TL431 施加偏压。电阻器 R3 和二极管 D1 提供一个固定的偏置,以保证偏压电阻 R1 不会形成反馈路径。电阻器 R1 和 R2 用于控制整个光耦合器上的增益。在大多数设计中,R2 与 R1 之比大致设置为十比一。光耦合器带有高极点频率 (fp)。光耦合器的产品说明书一般不提供有关极点频率的信息。通过采用网络分析仪,我们会发现许多应用中的极点约为10 kHz。

自举电路:

在开关电源设计中,脉宽调制器 IC 通常由辅助绕组供电,有关情况可参见图4。启动这种电路需要连续补充充电电阻 (Rt) 和吸持电容 (Ch)。为了尽可能降低功耗,我们要让补充充电电阻尽可能大。吸持电容也应较大,因为它在电源开始开关之前都会向 PWM 提供能量。

我们可用一支双极管和一些电阻器来配置并联稳压器,以加速自举时间。如欲了解详情,请参见图5。通过 Rd 的电气元件 C、D1、Q1 以及 Ra 构成自举电路。在上电时,电容器 C 将完全放电,而 PWM 电源输入处的电压 (Vaux) 将由串联旁路稳压器 (series-pass regulator) 决定,旁路稳压器则通过 Q1 及 D1 控制。启动状态下的 Vaux 电压是其峰值电压 (Vaux_peak),其值由电阻器 Ra 和 Rb 之比决定。电容器 C 和电阻器 Rcz 则用于决定计时情况以及自举电路的关闭电压,从而节约能量。电阻器 Rd 为 TL431 提供偏流,而电阻器 Re 则限制电流,以保证晶体管 Q1 处于安全的工作区域 (SOA)。

设置电路并不太困难。我们选择电阻器 Ra 和 Rb 来设置峰值充电电压 (Vaux_peak)。

选择电阻器 Rc 来降低并联电压,使之低于额定的 Vaux 电压 (Vaux_nominal),该额定 Vaux 电压由辅助绕组提供。

电容器 C 设置自举时间 (Tboot)。

低功耗 PWM 偏置电源

在某些电源中,PWM 由类似图4所示电路的辅助绕组供电。这种电路的问题在于,在轻负载工作情况下,辅助绕组中存储的能量不足以给 IC 供电。电源的工作情况甚至会变得难以估计,因为 PWM 将不断开关。图 6 所示的电路给出了解决这种问题的办法,即采用串联旁路稳压器,在轻负载条件下启动,而在偏置绕组可以为 PWM 控制器供电情况下关闭。

通过电阻器 Rd 的 Ra 以及二极管 D1、D2,再加上晶体管 Q1,它们构成了低功耗偏置电源。低功耗偏置电源根据设置可调节电压,使其高于 PWM 的关闭电压,又低于辅助绕组的额定电压 (Vaux_nominal)。这就使晶体管 Q1 能作为二极管或电路发挥作用。如果 PWM 由辅助绕组供电,那么 Vaux 电压将反向偏置,关闭晶体管 Q1 而节约能量。如果由于能量不足 Vaux 电压下降,那么 Q1 就会变成正向偏置,以向 PWM 控制器提供必需的能量。

设置低通串联旁路稳压器并不困难。电阻器 Rc 的大小应刚好可以向 D1 提供偏流,电阻器 Rd 的大小应刚好可以保证晶体管 Q1 不超出其 SOA 的范围,而电阻器 Ra 和 Rb 的大小则应能够调节低功耗串联旁路稳压器的电压。这种低功耗串联旁路稳压器提供的电压应设置为高于控制 IC 的启动电压,并低于辅助绕组提供的额定电压 (Vaux_nominal)。

以下方程式用于调节由 Ra 和 Rb 构成的电阻分压器。Q1 发射极处设置的电压应低于变压器 T1 二级绕组提供的额定辅助电压 (Vaux_nominal)。Vref 是并联稳压器 D1 的内部参考电压。Vd2 和 Vbeq1 分别是二极管 d2 和 Q1 基射极电压的压降。

总结

类似TL431的三端并联稳压器在许多应用中都大有用处。这种三端子器件既廉价,功能又很多样化。这种稳压器经过配置,可在开关电源中实现多种功能。这种器件可用作基准精确度,也可作为廉价的运算放大器以进行反馈控制。这种稳压器还可用于电源的快速自举,这与传统的方法不同。并联稳压器与 NPN 晶体管配合使用,还能实现低功耗偏置电源,在轻负载条件下启动,而在辅助绕组能够为 PWM 提供足够电力的时候关闭。






我来评论 - 三端并联稳压器的隐藏应用
评论:
*? 您还能输入[0]字
分享到: 新浪微博 qq空间
验证码:
????????????????
?

关注电子工程专辑微信
扫描以下二维码或添加微信号“eet-china”

访问电子工程专辑手机网站
随时把握电子产业动态,请扫描以下二维码

?

5G网络在提供1Gbps至10Gbps吞吐量方面具有很好的前途, 并且功耗要求比今天的网络和手机都要低,同时还能为关键应用提供严格的延时性能。本期封面故事将会与您分享5G的关键技术发展,以及在4G网络上有怎样的进步。

?
?
有问题请反馈
推荐到论坛,赢取4积分X