PCB布局中使用(yòng)并联稳压器

2020-11-05

他(tā)们从未在電(diàn)子课程中告诉您的一件事是，直流電(diàn)源可(kě)能(néng)会产生噪音。您通常使用(yòng)可(kě)提供干净输出的稳压隔离電(diàn)源，因此很(hěn)容易假设所有(yǒu)直流電(diàn)源都以这种方式工作。现实世界并非如此简单，设计人员需要多(duō)种方法来调节電(diàn)路板上组件的DC電(diàn)源。在各种方法中，我们有(yǒu)开关稳压器和線(xiàn)性稳压器。

在線(xiàn)性稳压器类别中，并联稳压器為(wèi)设计人员提供了一种简单的方法，即通过将一些電(diàn)流流向地面来调节DC電(diàn)路中的功率。通过调制调节元件，可(kě)以将DC電(diàn)压保持在相对稳定的值。同样，某些并联稳压器可(kě)以向稳压器的输入部分(fēn)提供过压保护，这一功能(néng)可(kě)能(néng)仅在集成電(diàn)路中才能(néng)找到。这是您如何设计自己的并联稳压器以及如何将其放置在PCB布局中的方法。

下面的電(diàn)路图显示了一个简单但功能(néng)强大的并联稳压器。在该電(diàn)路中，齐纳二极管以反向偏置运行，并将其饱和電(diàn)流馈入NPN晶體(tǐ)管，该晶體(tǐ)管打开晶體(tǐ)管中的导電(diàn)通道，并允许電(diàn)流流过发射极并流向地面。通过将電(diàn)路I中的電(diàn)流保持在几乎恒定的水平，这提供了维持稳定的输出電(diàn)压所需的降压调节作用(yòng)。

通过选择适当的電(diàn)阻值R可(kě)以设置输出電(diàn)压，该電(diàn)阻值R会降低一些输入電(diàn)压，而其余的则根据基尔霍夫電(diàn)压定律传递到输出。如果要滤除输入和输出上的任何噪声，可(kě)以在输入和输出上放置大型并联電(diàn)容器。请注意，下面的電(diàn)路显示使用(yòng)了未稳压的直流输入，但是通过将稳压的直流電(diàn)压降低到较低的值，该電(diàn)路可(kě)以提供与LDO相同的功能(néng)。

基本的并联稳压器電(diàn)路，带有(yǒu)齐纳二极管和NPN晶體(tǐ)管。

下图显示了上述示例并联稳压器中的效率与串联電(diàn)阻的关系。请注意，存在许多(duō)不同种类的并联稳压器，并且可(kě)以从仿真数据或测量结果生成相似的效率图。在该特定示例中，電(diàn)路的效率在很(hěn)大程度上取决于相对于输出電(diàn)压的输入電(diàn)压裕量。这与典型LDO稳压器的行為(wèi)相符。

并联稳压器中的效率与串联電(diàn)阻的关系。

二极管和晶體(tǐ)管的操作

使并联稳压器正常工作的关键是选择合适的二极管和晶體(tǐ)管。上面所示的齐纳二极管中的饱和電(diàn)流将使NPN晶體(tǐ)管导通，然后使一些電(diàn)流流入集電(diàn)极。随着输入電(diàn)压和電(diàn)流的波动，二极管電(diàn)流也将略有(yǒu)波动，然后将调制吸收到晶體(tǐ)管中的電(diàn)流量。这就是允许向上的電(diàn)流波动回落到地面，而不是传递到负载组件的原因。在输出端增加一个并联電(diàn)容器是有(yǒu)用(yòng)的，因為(wèi)这有(yǒu)助于保持恒定的電(diàn)压，即使输入電(diàn)流的波动幅度略有(yǒu)减小(xiǎo)。 

為(wèi)了适应该電(diàn)路中的大電(diàn)流波动，晶體(tǐ)管需要提供高增益。但是，如果增益非常高，则会在晶體(tǐ)管上降低更多(duō)的功率，这意味着浪费了热量。或者，可(kě)以将具有(yǒu)较低增益的晶體(tǐ)管与具有(yǒu)较大饱和電(diàn)流的齐纳二极管一起使用(yòng)。需要仔细平衡这两个参数，以确保您可(kě)以衰减任何预期的電(diàn)压波动，而不会浪费过多(duō)的電(diàn)能(néng)。

的优点和缺点

作為(wèi)線(xiàn)性稳压器，并联稳压器電(diàn)路的效率将低于开关稳压器，因為(wèi)一些電(diàn)压会在串联電(diàn)阻器和晶體(tǐ)管两端下降。换句话说，部分(fēn)功率会因两个组件之间的热量而损失。效率只是输出電(diàn)压与输入電(diàn)压的比值，如以下方程式所定义。尽管效率较低，但它在某些情况下还具有(yǒu)其他(tā)一些优点，使其可(kě)取：

无需开关元件：与各种开关拓扑结构相比，这些调节器不需要开关元件即可(kě)进行调节。这样就无需為(wèi)大型晶體(tǐ)管选择PWM驱动器。

低噪声：因為(wèi)没有(yǒu)开关元件，也没有(yǒu)瞬态電(diàn)流消耗，所以并联稳压器产生的噪声非常低。噪声源是从输入到输出的EMI传导，可(kě)以使用(yòng)滤波来抑制。

组件数量少：与更复杂，物(wù)理(lǐ)尺寸更大的开关稳压器相比，并联稳压器的组件数量少，可(kě)以降低成本。

低输出纹波：齐纳二极管和晶體(tǐ)管的共同作用(yòng)允许对電(diàn)流进行宽带调节，直到晶體(tǐ)管的相关带宽。只要输入電(diàn)流不太大，这有(yǒu)助于将输出纹波保持在较低水平。

并联稳压器的布局

一旦你设计和模拟你的分(fēn)流稳压器，你需要把它放在你的PCB布局。布置这些電(diàn)路时，应遵循以下基本技巧：

寄生虫：用(yòng)于低压的并联稳压器電(diàn)路足够小(xiǎo)，可(kě)以放在较小(xiǎo)的電(diàn)路板空间中，并且您应保持组件紧密封装，以将寄生虫降低到较低水平。在電(diàn)路下方放置一个接地层，以确保電(diàn)路与噪声隔离。 

组件尺寸：如果您期望系统中的输入電(diàn)压/電(diàn)流有(yǒu)较大波动，则需要使用(yòng)物(wù)理(lǐ)上较大的组件来提供调节和承受热量。选择组件和规划布局时，请记住这一点。 

散热：由于这些组件会抑制通过電(diàn)阻器和晶體(tǐ)管的電(diàn)流波动，因此这些電(diàn)路会发热。您可(kě)能(néng)需要使用(yòng)散热器来散发足够的热量，以使组件保持凉爽。