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  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。

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  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。

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  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 0ZLVIN-(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/(IQLˏ+VoLˏ/R)(IL何以會等於IQLˏ+(VoLˏ/R)?讀者們用點心吧!)

  =Vo/(IQVo/Vin)+(VoLˏ/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

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  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。

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  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。

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  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VoR2/(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

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  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'+IzRz,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。

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1-3-1-3: 能帶隙參考電壓(Band-Gap Reference)

  此種VREF線路,如圖九所示。

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  由圖九,很顯然的:VREF=VBE(Q1)+I2R2,若R1與R2被選擇成極不相等,則I1I2;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。

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  我們可將圖十簡化成圖十一

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  若Vin-VoutVz,則由Zener之特性:

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則Zener二極體形同開路電阻R3上沒電流故I4=Ib(Q1)

則ILRCL=I4+VBE(Q2)

IL=(I4R4+ -Vout VBE(Q2))/RCLconstant........................(6)

1-3-2-2: 安全區保護(Safe Area Protection)

  若Vin-VoutVz

  則電阻R3上之電流

   =(Vin-Vz-VBE(Q2)-Vout )/R3

   =[(Vin-Vout)-(Vz-VBE(Q2))/R3

  -I4=I3-Ib2,因Ib2I3,

  -I4I3

  則ILRCL=I4R4+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。

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  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!

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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。

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  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。

1-5: 輸出可變式穩壓器

  輸出可變式穩壓器之基本架構如圖十四所示。

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  由圖可知,三端子穩壓IC COM點之電位等於OP-AMP A1反相端之電位,化簡則可得圖十五之圖形。

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  因OP-AMP輸入端Virture ground之特性故COM點之電位理論上又應等於OP-AMP非反相端之電位,故VREG等於Vo在R1上之分壓:

  V=(R1+R2+R3)/R1VREG...........................................(8)

  設OP-AMP非反相端之電壓為V1,則Vo=VREG+V1

  Vo(min)=VREG+V1(min)

  此時R2=0,代入(8)式:

Vo=(R1+R3)/R1VREG+(R3/R1)VREG...................................(9)

  比較(8)式及(9)式:

  V1(min)=(R3/R1)VREG..................................................(10)

  又Vo(min)=R1+R2(min)+R3)/R1VREG=Vin-Vdropout...............(11)

  故由(10) (11)兩式適當選擇R1 R2及R3之值,可控制輸出電壓之極大極小值。

1-6: 高輸入電壓之穩壓器

  電路架構如圖十六(a)及十六(b)。

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  因各類三端子穩壓IC之輸入電壓均有一極限值,若Vin大過此額定值,則穩壓IC有燒燬之虞;圖十六(a) (b)中之稽納二極體及NPN電晶體,即是用來設定穩壓IC輸入電壓之用途。

  由圖十六(a),穩壓IC之輸入電壓Vin' 等於Vz-VBE(Q);

  圖十六(b),Vin'=Vin-Vz-VBE(Q)

  由上二式,適當選擇Vz值,可輕易控制穩壓IC之輸入電壓於適當範圍之內。

  又如十六圖所示,晶體須供應滿載之電流,故適當之散熱片,有絕對的必要。

1-7: 高輸出電壓之穩壓器

電路架構如圖十七所示。

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  由圖十七所示:Vin'=Vz1+Vz2-VBE(Q),

  Vout=VREG+Vz1

  另D3之作用,則在於增進滿載時之start-up及短路限流之保護作用;諸位看官們,若咱家將十七圖之Vout Shunt到地,您猜猜Vin' 將會變成多少伏?穩壓IC是否會Down掉??

  另一款高輸出之穩壓器如圖十八所示。

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  同理Vout=Vz+VREG

  其與十七圖相較,圖十八在短路狀況下有較佳之輸入電壓限制:

  於Normal時,Q2飽和,VB(Q1)電壓下降,

  Vin' 電壓下降,

  以實例解釋也許有助於對電路之瞭解:

  設Vz=24V,三端子穩壓IC之輸出為24V

  R1=300Ω/10W,R2=60Ω/4W,R3=1.5K/4W

  若Vin=60V

  Vout=Vz+VREG=24+24=48V

  當output short, Q2 ON,

  則R2上之電壓

  =(60-VCE(sat)(Q2))×[(R2/R1)+R2]

  =(60-0.2)×60/(300+60)10V

  Vin'=10V+VCE(sat)(Q2)-VBE(Q1)

  10V+0.2V-0.7V=9.5V

1-8: 其他

  另上可運用穩壓IC作成Shutdown電路、Switching Regulator、Vout(min)約等於零伏之可調式power supply等,為原理相同,筆者不擬詳加闡述,有興趣的讀者不妨自行揣摩,相信對您的實力大有幫助。

  穩壓IC的討論,就此打住;若文中有任何錯誤、存疑,希望先進不吝指教。最後,祝各位看官們看得愉快,實力大增。

轉載音響技術第84期DEC. 1982 三端子穩壓IC─在電路運用上之探討/蕭文權

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