三端集成穩壓器擴流方法分析
在電子電路中，直流穩壓電源是其中必不可少的部分。線(xiàn)性穩壓電源由于其穩壓性能好，輸出紋波電壓小，電路簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)應用普遍。線(xiàn)性穩壓電源中的穩壓部分大多由三端集成穩壓器來(lái)實(shí)現。通過(guò)其將不穩定的直流電壓轉換成穩定的直流電壓輸出。
三端集成穩壓器一般可分為固定式輸出和可調式輸出兩種類(lèi)型。三端集成穩壓器的芯片只引出三個(gè)端子，分別接輸入端、輸出端和公共端（或調整端），基本上不需外接元件，而且內部都有限流保護、過(guò)熱保護和過(guò)壓保護電路，使用十分安全、方便。
三端集成穩壓器的最大輸出電流為 ，與產(chǎn)品型號有關(guān)，具體的有0.1A，0.3A，0.5A，1.0A，1.5A，3A，5A和10A等幾種。在實(shí)際使用中，如果所需穩壓電路的輸出電流超過(guò)三端集成穩壓器的最大輸出電流，就需要在原來(lái)基礎上設計擴流電路來(lái)擴展輸出電流。本文以三端可調式穩壓器LM317K擴流為例來(lái)說(shuō)明三端集成穩壓器擴流的方法，并通過(guò)具體電路對其進(jìn)行深入分析。
1 LM317K工作原理
LM317K是一種三端可調式穩壓器，其輸出電壓的范圍為 ，其最大輸出電流為1.5A。其典型的應用電路如圖1所示。
圖1 LM317K典型應用電路
在圖1中， 和 為取樣電阻。輸出電壓的計算公式為
（1）
式（1）中， [1]。因此，當 =0V時(shí)， ；當 時(shí)， 。
的取值方法有兩種：一種是取 ，此時(shí)的LM317K的最小負載電流 ， 選用6.8k 的可調電阻；另一種是取 ， ， 可選3.4k 的可調電阻。上述兩種取值下調整 時(shí)均可得到 的穩壓輸出。 和 的作用是消除輸入端和輸出端可能產(chǎn)生的自激振蕩， 的作用是濾除 兩端的紋波， 和 為保護二極管，防止輸入端或輸出端發(fā)生短路故障時(shí)對LM317K內部放電而損壞芯片[2]。
若使用中需要LM317K構成的穩壓電路最大可輸出3A的電流，則可通過(guò)下面介紹的幾種方法來(lái)實(shí)現擴流。
2 擴流的方法
目前，三端集成穩壓器擴流的方法主要有晶體管擴流、電阻擴流和并聯(lián)擴流三種。
2.1 晶體管擴流
這種方法主要是通過(guò)在穩壓電路中接入大功率晶體管來(lái)實(shí)現。
（1） NPN晶體管
這是一種經(jīng)常使用的方法，在穩壓電路的輸入端和輸出端之間接入一NPN型大功率晶體管，如圖2所示。
圖2 外接NPN晶體管擴展輸出電流電路
負載所需的大電流由大功率晶體管T來(lái)提供，而晶體管的基極由三端集成穩壓器輸出端來(lái)驅動(dòng)。
由圖2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)擴流后的穩壓電路輸出電壓值已經(jīng)發(fā)生了變化， ， 是三端集成穩壓器的固有輸出電壓值， 是外接T的發(fā)射結壓降值，因此采用這種方法擴流后的穩壓器輸出電壓值比原來(lái)固有的輸出電壓值降低了。為了克服擴流后輸出電壓值下降的弊端，可將圖2電路做改進(jìn)，如圖3所示。
圖3 圖2改進(jìn)電路
圖3中接入了一個(gè)二極管D，用以補償晶體管發(fā)射結電壓 ，使電路的輸出電壓 基本上等于三端集成穩壓器的輸出電壓 。只要適當選擇二極管的型號，并通過(guò)調節電阻
的阻值以改變流過(guò)二極管的電流，即可得到 ，此時(shí)，由圖3可見(jiàn)
同時(shí)，接入二極管D也補償了溫度對三極管 的影響，使輸出電壓比較穩定[3]。
這種直接接入NPN型大功率晶體管擴流的方法較為常用，但由于LM317K內部電路限制，LM317K不直接配N(xiāo)PN型大功率晶體管。
（2） PNP晶體管
LM317K適合于PNP型大功率晶體管，用PNP型大功率晶體管擴流的電路如圖4所示，將PNP型大功率晶體管的基極改接入三端集成穩壓器的輸入端，因此不再影響三端集成穩壓器固有的輸出電壓值，即 。
圖4 外接PNP型大功率晶體管擴展輸出電流的電路
圖4中的電阻R是三端集成穩壓器的泄流電阻，作用是使三端集成穩壓器的靜態(tài)電流不再流過(guò)外接擴流晶體管T的基極。因為三端集成穩壓器的所有偏置電流與調整端電流都從輸入端流入，若全部流經(jīng)T的基極，并經(jīng)過(guò)T的放大，那么三端集成穩壓器的輸出端將需加接假負載來(lái)泄放這些對真正的負載無(wú)用的電流。R的選取原則是：
（2）
其中： 為三端集成穩壓器的靜態(tài)工作電流，其值約為10mA，設計中一般設定最小輸出電流約為數十毫安，因而R的選值約為幾歐姆即可[4]。在此可選擇R為3.3 。
經(jīng)擴展后的輸出電流 。當 時(shí)，僅LM317K工作；當 時(shí)，LM317K和外接PNP型大功率晶體管一起工作。
（3） NPN+PNP晶體管
若使用中遇到要求必須用NPN型晶體管來(lái)擴大LM317K輸出電流的情況，則可通過(guò)增加一只PNP型驅動(dòng)管與之配合來(lái)達到擴流的要求，電路如圖5所示。
圖5 外接NPN配合PNP大功率晶體管擴展輸出電流的電路
晶體管擴流的方法應用較為廣泛，擴流較為靈活，在擴流時(shí)選擇使用何種類(lèi)型的大功率晶體管根據所使用的三端集成穩壓器的型號和類(lèi)型來(lái)決定。但晶體管擴流法會(huì )降低穩壓精度，增加穩壓器的輸入和輸出電壓之差，這對大電流的工作的電源是不利的[5]。
三端集成穩壓器內部都有安全保護功能，但外接的擴流晶體管卻沒(méi)有任何保護措施，在實(shí)際使用中，為了防止輸出端短路或其他原因引起輸出電流過(guò)大而損壞擴流晶體管，需要在電路中增加限流保護電路。
2.2 電阻擴流
這種方法是在三端集成穩壓器的輸入端和輸出端之間加入一個(gè)電阻R來(lái)實(shí)現擴流目的，如圖6所示。
圖6 外接電阻擴展輸出電流的電路
在圖6中，要擴大的電流 與所選的電阻R關(guān)系為：
（3）
如前所述,要將LM317K最大輸出電流擴展至3A，即要擴大的電流為1.5A，若 =24V， =12V，則按上式計算可得R=8 ，可取標稱(chēng)值8.2 。此時(shí)，最大的負載電流
（4）
其中： 為三端集成穩壓器的最大輸出電流[6]。
由式（4）可知，該電路的最小負載電流為 。
因此，使用電阻擴流法需要注意的是：
⑴ 輸入電壓 必須穩定。若 不穩定，則 也不穩定，則輸出電流必然不穩定。
⑵ 負載的最小電流必須大于等于 。
在圖6中，LM317K經(jīng)電阻擴流后，要求負載電流必須滿(mǎn)足： 。而LM317K標稱(chēng)的最小負載電流為30mA，擴流后電路的最小負載電流比擴流前大得多。
由此可見(jiàn)，電阻擴流的方法一般適合于小電流擴流，當需要擴展的電流較大，輸入輸出壓差較大時(shí)，R的功耗也較大。
2.3 并聯(lián)擴流
如果所需擴展的電流較大時(shí)，可以采用將幾片三端集成穩壓器并聯(lián)使用來(lái)達到擴流的目的,但不能直接并聯(lián)使用，在并聯(lián)時(shí)應注意使各片三端集成穩壓器的輸出電流都能維持在平衡狀態(tài)。將LM317K最大輸出電流擴大至3A的并聯(lián)擴流電路如圖7所示。
圖7 并聯(lián)擴展輸出電流的電路
在圖7中， 用來(lái)平衡兩片LM317K的輸出電流。改變 的值即可調節輸出電壓。LM317K（1）和LM317K(2)的輸入端分別串接入 的電流取樣電阻 和 。當LM317K（1）的輸出電流增大時(shí)， ↑→ ↑，給 的同相輸入端加一個(gè)信號，使其輸出電壓降低， ↓→ ↓→ ↓，維持 。反之，當 ↑→ ↑時(shí)，就給 的反向輸入端加一個(gè)信號，使 ↑→ ↑→ ↑，仍保持 。這樣，兩片LM317K的輸出電流總維持平衡狀態(tài)[7]。
通過(guò)并聯(lián)擴流的方法來(lái)擴展輸出電流時(shí)，擴展的輸出電流必須成倍增加。擴流的同時(shí)，也要成倍的增加三端集成穩壓器的數目，電路的成本增加。但并聯(lián)擴流法穩壓精度高，在實(shí)現大電流擴展時(shí)較為方便。
3 結束語(yǔ)
本文以L(fǎng)M317K為例介紹了三端集成穩壓器的三種擴流方法，并對其進(jìn)行了深入的分析和比較。晶體管擴流法應用最為廣泛，擴流較為靈活，選擇合適的大功率晶體管最為關(guān)鍵，需要設計限流保護電路，但穩壓精度會(huì )降低。電阻擴流法方法最為簡(jiǎn)單，實(shí)現較為方便，但輸出負載電流的范圍有限制，一般只適合于小電流擴流的場(chǎng)合，尤其是輸出固定的三端集成穩壓器使用較為方便。并聯(lián)擴流法的穩壓精度高，功耗小，但成本增加，且需要考慮并聯(lián)的三端集成穩壓器輸出電流的平衡問(wèn)題，可方便的實(shí)現大電流擴流。在實(shí)際應用中，可根據擴流的大小和使用的三端集成穩壓器的型號來(lái)選擇合適的擴流方法。
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