三端子穩壓IC─在電路運用上之探討－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　使用過三端子穩壓IC的人,想必皆能領略其簡潔、優越、及易於使用的特性,但此種穩壓IC之輸出,通常僅在5V至24V之間的取捨,就運用而言,似乎稍嫌缺乏彈性了些,而一般雜誌對其電路之各類運用,幾乎又鮮有詳盡的剖析(就記憶所及,僅在音技的「A-40新穩壓電路」一文上,曾有一番介紹),故筆者為文,以期讀者對三端子穩壓IC,能有更深一層的瞭解。

1.正電源穩壓器

1-1: 基本架構

　　一般三端子穩壓IC的基本架構,如圖一所示。

　　若此三端子穩壓IC距濾波電容之距離超過兩英吋,則宜在其輸入端上並上一枚旁路電容,以維持電路的穩定。此枚電容在OP-AMPs之應用上極其重要,裝過音技T-38及75W RET後級的讀者,若電路不甚穩定,不妨如法泡製,也許有起死回生的神效也說不定。至於此枚電容之容量,一般而言,若為陶質,應大於0.22μF,若為鉭質,應大於2μF,若為鋁質電解電容,必須大於25μF。讀者可知何以三種材質,其在容量上有如此大的差異?原因在於等效串聯電阻(effective series resistance簡稱ESR)遞增之故,聰明的音技讀者,音響的濾波電路或旁路用電解電容何以需倂上高品質的PS或PP電容?您大概已知其確實含意了吧!

　　另有些穩壓IC,其必須再加上輸出電容,方能確保電路的動作穩定;比方如LM120,就必須有1μF以上之鉭質電容,或25μF以上的鋁質電解電容。當穩壓IC加上適切的輸出電容後(指對所有的三端子穩壓IC而言),暫態反應將會有大幅度的改善,這點對高速電路的需求相當重要。又,欲消除某些穩壓IC的高頻噪音,在輸出電容旁,再倂上一枚高品質0.1μF的旁路電容,將會有相當程度的效果。此點,T-38及75W RET後級的使用者亦可作個參考,因不巧的是,78LXX系列正有此缺點!

1-2 恒流源

　　以穩壓IC作為恒流源之架構,如圖二所示。

　　我們可用最簡單的歐姆定律及克希荷夫定律來加以分析:對於任何大於或等於零,而小於或等於某個電壓的可變負載阻抗(ZL)而言,其具有一固定之電流IL流過;以數學式表示:

IL=(VREG/R)+IQ,for 0≤ZL≤VIN-(VREG+Vdropout)/IL

　　其中IQ表穩壓IC的某個參數(Q=Quiescent Current,靜態電流之意),其餘各值,請參考圖二。

　　輸出阻抗之求法則為:Zo=(⊿Vo/⊿IL)。若我們定義Lˏ=(⊿Vo/⊿Vin)=線調整率(Line regulation),

則Zo=(⊿Vo/⊿IL)=⊿Vo/(⊿IQ•Lˏ+⊿Vo•Lˏ/R)(⊿IL何以會等於⊿IQ•Lˏ+(⊿Vo•Lˏ/R)?讀者們用點心吧!)

　　=⊿Vo/(⊿IQ•⊿Vo/⊿Vin)+(⊿Vo•Lˏ/R)

　　=1/(⊿IQ/⊿Vin)+(Lˏ/R)

1-3: 高電流值之穩壓器

　　穩壓IC之輸出電流,通常皆在1.5A以下,欲設計成高電流值之穩壓器,則必須藉助外加晶體,以達高電流輸出之條件,請參考圖三。

　　此圖是穩壓IC被用來作成高電流穩壓器的典型接法,Nelson Pass在A-10之新穩壓電路裡,亦曾利用到此經典之作;至於Pass所謂之過熱保護,及內部限流等特性,容咱家稍後再述,此處先談圖三電路的動作原理。

　　若二極體D上之壓降雨晶體Q1之VBE相等,則二極體陽極端之電壓等於晶體射極上之電壓,又I1+IREG=Iˏ 故I1=R2/(R1+R2)Iˏ

IREG=R1/(R1+R2)I ⇒I1=(R2/R1)．IREG

　　短路限流如何工作呢?其利用穩壓IC內部的限流特性而成,故以數學式表示時,就變得非常簡單:

　　I1(Shout ckt)=(R2/R1)．I1REG(Shout ckt)

　　又,若欲以中華商場上廉價NPN晶體,取代圖三之較昂貴的PNP晶體(則A-40穩壓電路上之輸出晶體,可全用價廉之NPN晶體取代),可作如圖四之接法,如此您當可省下一筆為數可觀的經費。

　　接著,我們來討論穩壓IC的過熱保護、內部限流等原理,以作為設計之準則。

　　基本三端子穩壓IC之內部方塊圖,如圖五所示,動作原理為:誤差放大器比較參考電壓VREF及Vo．R2/(R1+R2)兩電壓之大小,以控制輸出晶體之基極電流,達成穩壓之功能;詳細剖析如下。

1-3-1 參考電壓

1-3-1-1: 稽納二極體參考電壓

　　稽納二極體參考電壓之曲線圖如圖六,其等效圖則如圖七。

　　對這麼簡單的線路,看得出什麼名堂嗎?別怕,算它一算即可:VREF=Vz,∵Vz=Vz'+Iz．Rz,且Iz=(Vin-Vz')/(R+Rz),⇒VREF=Vz'+Rz．(Vin-Vz')/(R+Rz)

　　故VREF為Vin之函數;此亦即表示,若輸入電壓為穩定者,VREF亦可穩定工作;輸入電壓不太穩定,則VREF就不太穩定了。

1-3-1-2: 定電流稽納二極體參考電壓

　　此VREF之線路,如圖八所示。

　　由圖八可知:VREF=Vz+VBE(Q1),故VREF與Vin無關。

1-3-1-3: 能帶隙參考電壓(Band-Gap Reference)

　　此種VREF線路,如圖九所示。

　　由圖九,很顯然的:VREF=VBE(Q1)+I2．R2,若R1與R2被選擇成極不相等,則I1≠I2;則VBE(Q1)≠VBE(Q2)⇒I2=(VBE(Q1)-VBE(Q2))/R3

⇒VREF=VBE(Q3)+(VBE(Q1) -VBE(Q2))•(R2/R3).........(1)

　　翻開MILLMAN之積體電子學,我們知道:

　　VBE(Q1) -VBE(Q2)=(KT/q)ln(I1/I2)..................(2)

又VBE(Q3)=Vgo[1-(T/To)]+VBEo(T/To).................(3)

　　對t微分:

　　(dVREF/dt)=-(Vgo/To)+(VBEo/To)

　　　　　　　　+(R2/R3)•(K/q)ln(I1/I2)...........(4)

若R2 R3及I1被適當設定使得

　　(R2/R3)ln(I1/I2)=(Vgo-VBEo(Q3))•(q/KTo).....(5)

　　⇨則(5)式代入(4)式:

　　(dVREF/dt)=⌽

⇨VREF為溫度補償(temperature-compensated)

　　由於本電路利用道半導體之能帶隙電壓,故名之為能帶隙參考電壓。

1-3-2: 保護電路

1-3-2-1 限流

　　基本附保護電路之穩壓器線路圖如圖十所示。

　　我們可將圖十簡化成圖十一。

　　若Vin-Vout＜Vz,則由Zener之特性:

則Zener二極體形同開路⇒電阻R3上沒電流⇨故I4=Ib(Q1)

則IL•RCL=I4+VBE(Q2)

IL=(I4R4+ -Vout VBE(Q2))/RCL≑constant........................(6)

1-3-2-2: 安全區保護(Safe Area Protection)

　　若Vin-Vout＞Vz

　　則電阻R3上之電流

　　　=(Vin-Vz-VBE(Q2)-Vout )/R3

　　　=[(Vin-Vout)-(Vz-VBE(Q2))/R3

　　⇨-I4=I3-Ib2,因Ib2≪I3,

　　-I4≑I3

　　則IL•RCL=I4•R4+VBE(Q2)

=-[(Vin-Vout)-(Vz+VBE(Q2))/R3]•R4+VBE(Q2)

⇨IL=-[(Vin-Vout)-(Vz+VBE(Q2))/R3RCL]•R4+VBE(Q2)/RCL

　　對(Vin-Vout)微分:

　　⇨[dIL/d(Vin-Vout)]=-R4/(R3RCL)...............................(7)

　　(7)式稱之為安全區曲線之斜率(slope of the safe area curves),我們將(6)、(7)式合併可得圖十二之圖形。

　　至於為何T j=125℃時曲線為何低於T j=25℃之曲線?與線流控制用晶體Q2之VBE有關,讀者不妨深思一番!

1-3-2-3: 過熱保護(Thermal Shut Down)

　　回過頭來看圖十,Q3即為限熱晶體。其在晶片上之位置,非常靠近Q1,完全是為了得到良好的熱傳輸。通常Q3基極之電位,被設定在0.4V左右,此時Q3 OFF,當晶片溫度上升,Q3 ON時,則Q1基極電流流向Q3,故Q1被OFF,達到過熱保護之作用。

　　行文至此,限流、安全區保護、過熱保護之數學式已交代完畢;讀者可曾從中找到什麼共通性?三種保護原理是不是皆用控制晶體的ON/OFF來移去輸出晶體之基極驅動電流?又參考電壓之接法有二種(Zener即利用⊿VBE),它們在噪音、穩定度、精確度及熱漂移上有何優點?看官們,一天到晚拿烙鐵是不行的,放下洛鐵,想一想吧!!

1-4: 輸出可調式穩壓器

　　輸出可調式穩壓器之基本架構如圖十三所示。

　　圖三加上圖十三,不正就是Nelson Pass A-40穩壓電路之基本架構嗎?唉!莊仲兄在翻譯那篇文章時,對穩壓IC之原理不作任何說明,偏偏老衲對此電路却又喜愛異常,只好K,K,K......,雖!

　　言歸正傳,由圖十三之電路圖可知:

　　Vout=VREG+R2[IQ+(VREG/R1)]。線調整率(Line regulation)為(⊿Vo/⊿Vin)=(Lr')(R1+R2/R1)+(⊿IQ/⊿Vin)R2,負載調整率(Load regulation)為(⊿Vo/⊿IL)=(Lr)(R1+R2/R1)+(⊿IQ/⊿Io)R2,其中=Lr(⊿Vo/Io)為穩壓器本身之負載調整率。