高效大電流穩壓器電路設計方案

設計任何電路板的電源部分時，最常用的穩壓器是78XX、79XX、LM317、LM337或類似器件。工程師知道這些控制器安全可靠且易于使用，但它們的電流有限。如果需要更大電流，可以使用ADI的LT1083穩壓器實現簡單實惠的解決方案。

一款強大的穩壓器

LT1083穩壓器（參見圖1中的符號和引腳排列）允許調整正電壓，并能高效地提供高達7.5 A的電流。內部電路設計用于輸入和輸出之間以高達1 V的壓差工作。在最大輸出電流條件下，最大壓差為1.5 V。需要一個10 uF輸出電容。以下是值得注意的一些特性：

●? ? ?可調輸出電壓；

●? ? ?最高7.5 A的電流；

●? ? ?TO220封裝；

●? ? ?內部限制功耗；

●? ? ?最大30 V的差分電壓。

它可用于各種應用，如開關穩壓器、恒流穩壓器、高效率線性穩壓器和電池充電器。本教程探討的型號具有可變且可配置的輸出電壓。還有另外兩個型號——LT1083-5和LT1083-12，其輸出分別穩定在5 V和12 V。

圖1：LT1083穩壓器

5 V輸出電壓的最小應用圖

圖2顯示了5 V穩壓器的應用參考圖。輸入電壓必須始終大于6.5 V。當然，電路的電源電壓不能過高，因為所有功率最終都會以熱量形式不必要地耗散，從而大大降低系統的效率。該穩壓器通過其三個引腳連接到輸入、輸出和電阻分壓器，后者用于確定輸出電壓的值。強烈建議使用兩個電容器，一個在輸入端，一個在輸出端。該方案具有將輸出電壓穩定在恰好5 V的功能。因此，分壓器由兩個1％精密電阻組成，第一個是121 Ω，第二個是365 Ω。很明顯，用調整器或電位計替換這兩個無源元件，便可實現可變電壓的電源系統。

圖2：5 V輸出電壓的最小但完全能夠正常工作的應用方案

圖3顯示了負載電流和集成穩壓器功耗的第一次測量結果。仿真是通過測試不同負載值來執行的，負載阻抗在1 Ω到20 Ω范圍。一個非常重要的事實是，即使負載發生很大變化，輸出電壓也非常穩定（始終為5 V）。但是，流經負載的電流以及集成穩壓器的功耗差異極大。只要在制造商設定的工作限值以內，該穩壓器便非常穩定和安全。

圖3：5 V穩壓器原理圖的測量結果

該穩壓器設計支持最高1 V的壓差。此壓差與負載電流無關；由于其值較低，最終系統的效率可能非常高。圖4顯示了輸入電壓（0 V到8 V，紅色曲線）和輸出電壓（藍色曲線）的曲線。根據制造商的特性規定，這兩個電壓之間具有大約1 V的有效“壓差”。

圖4：輸入、輸出和壓差的曲線

即使使用不同實體的負載，集成穩壓器的輸出電壓（值用于電阻分壓器）也非常穩定，如圖5中的曲線所示。

圖5：曲線顯示了輸出的穩定性，其與所使用的負載無關

當輸入電壓接近所需的輸出電壓時，效率要高得多。在18 V、12 V和6.5 V的三個不同電源下，使用不同負載值測得以下平均效率。

●? ? ?輸入電壓：18 V，電路效率等于26.71％；

●? ? ?輸入電壓：12 V，電路效率等于40.84%；

●? ? ?輸入電壓：6.5 V，電路效率等于75.37%；

因此，當輸入電壓遠高于輸出電壓時，穩壓器需要更賣力地工作，消耗的能量（以無用的熱量損失掉）也就更多。

溫度影響

即使存在溫度變化，本教程所探討的穩壓器也非常穩定。雖然制造商在官方文件中認證的穩定性為0.5％，但實際獲得的結果更令人滿意。現在我們研究一個與上述第一個方案等效的簡單應用方案，其具有以下靜態特性：

●? ? ?輸入電壓：6.5 V；

●? ? ?輸出電壓：5 V；

●? ? ?輸出端所連負載的阻性阻抗：5 Ω；

●? ? ?負載電流：1 A；

●? ? ?穩壓器功耗：1.51 W。

現在，我們在-10 °C到+100 °C的范圍內改變溫度并運行仿真。通過圖6所示曲線可以發現，在非常寬的溫度范圍內（110 °C溫差），輸出實際上保持恒定。該集成電路非常穩定，在兩個溫度極值下，輸出電壓的最大變化只有6.2 uV。

圖6：顯示不同工作溫度下輸出電壓變化的曲線

保護二極管

LT1083穩壓器不需要任何保護二極管，如圖7所示。事實上，新的元件設計由于使用了內部電阻而能夠限制返回電流。此外，集成電路的輸入和輸出之間的內部二極管能夠管理持續數微秒的50 A至100 A電流峰值。因此，調節引腳上的電容器也不是嚴格需要的。只有當電容值大于5000 uF的電容器連接到輸出，同時輸入引腳短接到地時，才可能損壞穩壓器，而這是一個不太可能發生的事件。

圖7：輸出和輸入之間不再需要保護二極管

如何獲得不同電壓

在輸出引腳和調節引腳之間，存在一個等于+1.25 V的基準電壓。如果將一個電阻放置在這兩個端子之間，則會有一個恒定電流流過該電阻。連接到地的第二電阻具有設置整體輸出電壓的功能。10 mA的電流足以獲得此精確調節。通過實現調整器或電位計，可以創建可變電壓電源。調節引腳上的電流非常低（大約幾微安），可以忽略不計。對于14 V電源，以下是計算這兩個電阻的步驟，圖8中的分壓器圖和圖9顯示的公式中可以看到這些電阻：

●? ? ?輸入電壓Vin必須始終比所需的輸出電壓高出至少1 V，因此Vin > 15 V；

●? ? ?在輸出引腳和基準引腳之間，始終存在一個1.25 V的電壓；

●? ? ?輸出引腳與基準引腳之間的電阻R1中必須有10 mA的電流；

●? ? ?R1的值等于電阻上的電位差與必須流經其中的電流之比；

●? ? ?基準引腳電壓等于輸出電壓減去固定電壓1.25 V；

●? ? ?電阻R2中也必須流過10 mA的電流，因此可以通過歐姆定律輕松算出。

當R1 = 125 Ω且R2 = 1275 Ω時，輸出電壓恰好為14 V。利用3.3 kΩ電位計代替R2電阻，可以獲得電壓為1 V到Vin的可變電源。