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一种安全可调稳压器设计

2023-03-13 16:30:56 Peter Demchenko 阅读:
在LM350(LM317)可调稳压器的典型电路中,电位器通常是最不可靠的部分。当很少进行调整并且负载的安全性并不重要时,这可能不是一个很大的问题。但是,当想要进行频繁调整,或者事先不知道负载时该怎么办?

图1给出了LM350(LM317)可调稳压器在需要调整其输出电压时的典型使用。VcKednc

VcKednc

图1:LM350(LM317)可调稳压器在需要调整输出电压时的典型使用。VcKednc

该电压在此给出的大约为:VcKednc

eo = Vref * (R2/R1 + 1)VcKednc

电位器R2通常是电路中最不可靠的部分。如上面的表达式所示,电位计的击穿(例如,触点丢失、开路)会使R2的有效值最大化,而使输出电压也达到最大值——仅比输入电压低约1.5V。VcKednc

当很少进行调整并且负载的安全性并不重要时,这可能不是一个很大的问题。但是,当我们想要进行频繁调整,或者事先不知道负载时(例如在实验室电源的情况下),图2a中的电路可能是更好的选择。VcKednc

VcKednc

图2a:可调稳压器的安全改进版本。VcKednc

然而,该电路不能将其输出电压调节到下限Vref,这是它的局限性。VcKednc

您在设计电源时,是否有想过在其典型应用的基础上改进设计?3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理IC提供商,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参会,并到场交流。VcKednc

有几种安全可调稳压器的替代配置,它们或多或少地避免了越界的危险。最安全的情况是让输出电压下降到非常接近Vref,这需要3或4个额外的元器件(即电阻器和晶体管),因此,让我们看一下图2b中具有更多折衷的配置。VcKednc

VcKednc

图2b:安全可调稳压器的替代配置。VcKednc

该电路可以将其输出电压调节到下限Vref。输出电压(如果电位器Rp发生击穿)约为2.5V,这是一个折衷值。VcKednc

由于图2b中的电路计算不是很简单,因此此处将以Python代码的形式提供一些计算路径。VcKednc

该电路有两个输出电压范围:从eo11到eo12,以及从eo21到eo22(见图3代码)。该范围是由开关Sw(例如nJFET、nFET或任何良好的机械簧片继电器)进行选择的。VcKednc

请注意:如果电阻器R11和Rp太大而无法提供稳压器IC所需的最小负载(最大10mA),那么如果总负载太轻,输出就可能会失控。VcKednc

为避免这种情况,开始计算时为R11选择任何合适的值可能更明智。VcKednc

还必须提供Rp值和范围。VcKednc

以下代码给出了R22和R23的计算。VcKednc

#-code-beginsR11=560   # OhmRpot=2180  # Ohm</p/>VcKednc

eo11=1.25  #Veo12=5.6   #Veo21=5.4    #Veo22=23.0   #VVcKednc

Vref=1.25  #Vprint()VcKednc

# LetK12 = eo12/Vref – 1K21 = eo21/Vref – 1K22 = eo22/Vref – 1Rp = RpotVcKednc

from math import sqrtVcKednc

def checkEq(R11, R22, R23):Rx=R11 – Ra/K12if Rx != 0: print(“Err R11:”, Rx)VcKednc

Rx=R22*R23/(R22+R23) – K21*(Rp+R11)if Rx != 0:  print(“Err (2):”, Rx)VcKednc

Rx=R11 – (R22*(Rp+R23)/(R22+Rp+R23) / K22)if Rx != 0:  print(“Err (3):”, Rx)returnVcKednc

def par(r1,r2): return(r1*r2/(r1+r2))VcKednc

eo=eo12R1 = R11R2 = R1*((eo/Vref) -1)R22 = R2*Rpot / (Rpot – R2)VcKednc

eo=eo21   #5.1V#R1 = R11 + R21*Rpot / (R21 + Rpot)#R2 = R1*(eo/Vref -1)#R23 = R2VcKednc

#eo=eo22   #24V ??VcKednc

#R1 = R11#R2 = R23 + R22*Rpot / (R22 + Rpot)#eo = Vref*(R2/R1 + 1)#eo22 = eoVcKednc

#Let  K12 = eo12/Vref – 1K21 = eo21/Vref – 1K22 = eo22/Vref – 1Rp = RpotRa = par(Rp,R22)VcKednc

w3=K22/K21A=w3*(R22 – K21*Rp) – R22B=w3*R22*(R22+Rp) – Rp*(w3*K21*(Rp+R22)-R22) – R22*R22C=Rp*R22*(0-w3*K21*(R22+Rp)-R22)VcKednc

Q=B*B – 4*A*C#print(A, B, C, Q)if Q<0: exit(” Exit: Q<0, try another values for R11, Rpot, or ranges”)VcKednc

R23_1 = (0-B + sqrt(Q)) /2/AR23_2 = (0-B – sqrt(Q)) /2/Aprint(”   R23_1, R23_2=”, R23_1, R23_2)# since R23 should be > 0:  if R23_1>0:  R23=R23_1elif R23_2>0:  R23=R23_2else:  print(“Error: both R23_1, R23_2 are not positives”)VcKednc

# recalc eoij for a coherence checkeo12=Vref*(par(Rp,R22)/R11 +1)eo21=Vref*(par(R23,R22)/(Rp+R11) +1)eo22=Vref*(par(R22,R23+Rp)/R11 +1)# updateK12 = eo12/Vref – 1K21 = eo21/Vref – 1K22 = eo22/Vref – 1VcKednc

print(“Fig2c:”, f” eo12={eo12:.2f}”, f” eo21={eo21:.2f}”, f” eo22={eo22:.2f}”)print(“Fig2c:”, f” Rpot={Rpot:.1f}”, f” R11={R11:.1f}”, f” R22={R22:.1f}”, f” R23={R23:.1f}”)checkEq(R11, R22, R23)VcKednc

# since the solution we got may be very sensitive due to a possible presence of a singular point in its vicinity (i.e. a small deviation of a resistor’s value can have large impact on the voltage) – hence 2 conclusions follows:# – tolerances of resistors R11, R22, R23 have to be not worse than 1%;# – the solution above has to be considered as a preliminary one, so we’ll make it more precise by the following code:  VcKednc

R23lim=100*R23R23=R23/3while R23 < R23lim:eo21_x=Vref*(par(R23,R22)/(Rp+R11) +1)eo22_x=Vref*(par(R22,R23+Rp)/R11 +1)if eo21_x – eo21 > 0.2: breakif abs(eo22 – eo22_x) < 0.1: break    # if eo22-x – eo22 < 0.1: breakR23 += 10   # +10 Ohmelse:  exit(“full cycle”)  print( f” eo21={eo21_x:.2f}”, f” eo22={eo22_x:.2f}”,  f” R23={R23:.1f}”)VcKednc

#-end-of-code-  VcKednc

来自调节端的50μA(典型值)电流iA(代表误差项),将在R23上产生压降。连同标称1.25V参考电压Vref,此压降决定了电位器Rp发生击穿时的输出电压:VcKednc

eoBreak = iA * R22 + VrefVcKednc

因此,当降低R22的值时,可以在某种程度上降低eoBreak的值。VcKednc

Peter Demchenko在维尔纽斯大学学习数学,并从事软件开发工作。VcKednc

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(原文刊登于EDN美国版,参考链接:A safe adjustable regulator,由Franklin Zhao编译。)VcKednc

本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里VcKednc

责编:Franklin
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