电源学习总结(四)——线性稳扩流方法

外接半导体管的扩流方法

外接半导体的扩流方法可以使用半导体三极管或者场效应管,其实质是使用外接的大功率半导体管分流,并利用线性稳压内部的反馈电路稳定输出电压。这里为方便说明仅以三极管为例说明。

外接PNP扩流

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上图为线性稳压的拓扑结构,具体内容在电源学习总结(二)——线性稳压主要特点及原理中有详细说明。假设额定输出为3.3V,负载电阻为1Ω,此时可以看到,负载电流为3.3A。显然,大多数线性稳压都无法承受这样大的电流,虽然开关电源的输出能力一般要强许多,但在一些特殊应用场景下又无法或者需要避免使用开关电源,如开关电源会引入噪声等,此时可以使用外接三极管的方法扩流。
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上图为外接PNP的线性稳压扩流原理图,Q1和Q2构成了一个类似达林顿管的结构。假设此时输出仍为3.3V,负载电阻1Ω,但经过线性稳压的电流(等效为三极管Q1发射极电流)仅为1.23A,而经过外接PNP三极管Q2的电流为1.75A。

应当能注意到,外接三极管的同时在集电极和基极之间并联了一个电阻R8该电阻的作用是配置Q2的工作点。假设Q2在工作点VCE=0.8V,R8=800mΩ,则当线性稳压负载电流较小时(< V C E R 8 \frac{V_{CE}}{R8} ,即1A),Q2截止;当线性稳压负载电流较大时(大于1A),Q2开始工作分担线性稳压负载电流。

从以上对扩流原理的描述中可以看出,Q2开始工作的电流是可以根据自身工作特性和工作点配置电阻设置的,实际上可以用来分配经过线性稳压和外接三极管的电流比例。

事实上,如果需要的输出电流较大时,也可以并联多个PNP三极管分流。理想情况下每个外接三极管会承担同样的电流,但需要注意的是,由于生产导致的每个三极管工作特性差异、PCB布局导致的线阻等原因,,实际每个三极管上的电流大小并不相等,一般需要在外接三极管的集电极串联一个较小的电阻用于平衡电流。

外接NPN扩流

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上图为外接NPN的线性稳压扩流原理图。与外接PNP不同,外接PNP是并联在输入端,而外接NPN是接在输出端,且没有匹配工作点的电阻,这里三极管自身的压降就能使外接的NPN三极管达到工作点,且线性稳压在这里实际上只提供了外接三极管的驱动电流,因此经过线性稳压的电流很小(图中为21.9mA),大部分电流经过外接三极管(图中为2.12A)。

注意,虽然这里线性稳压的反馈仍起作用,但其为线性稳压输出电压的反馈,即图中三极管Q1的发射极电压,由于实际三极管基极和发射极之间存在压降,且该压降会随着温度、工作电流等因素变化,因此实际输出会略低于原线性稳压输出,且不如线性稳压直接输出的电压稳定,实际运用中如如果使用的是电压可调的线性稳压,可将输出电压设置成略高于目标输出。同时,前面说到这里的线性稳压仅用于驱动外界三极管,电流很小,因此若线性稳压内部集成了过流保护电路将不起作用

线性稳压并联扩流

前面在提到外接PNP的扩流时有提到实质上是利用外接PNP分流,必定有读者会有疑问:是否可以直接并联多个线性稳压芯片分流来提高电流负载能力呢?

在回答这个问题之前,我们先来想象一下生活中的一个小例子。如果你注意观察,会发现吊起重物的多根绳子一般为弹力绳,或者一根编制在一起的粗麻绳,很少有使用多根细绳,这是为什么呢?

想象一下,假设重物重10kg,每根细绳(无弹性)最大可承受2.5kg,现有五根细绳,理论上每根绳仅需承受2kg不会拉断,但实际上我们不可能将每根绳制造成完全等长的(由于连接等因素影响实际有效绳长必定会有差异),因此会出现某根绳已经被拉紧而其他绳子未受力,极端情况下某根绳子承受了10kg的重量瞬间被拉断,此时重物所有的力量由下一根被拉紧的绳子承受,之后就是雪崩般的灾难((Φ皿Φ))

大多数的线性稳压类似上面说到的无弹性绳,因此一般而言是不允许并联使用的,因为由于电流分配不均,负载电流会一一击穿烧毁每一个线性稳压,但凡事有例外,线性稳压并联扩流的核心是平均分配电流

这里来看一下前面提到的并联多个PNP时平衡电流的处理方法:集电极串阻。我们知道并联的多条支路电流是与支路电阻成反比的,在不串阻的情况下,每条支路的电阻相当于PNP的等效电阻加上PCB线阻,一般仅为几毫欧到几十毫欧,如果某两条支路等效电阻分别为5mΩ和50mΩ,则两者分担的电流相差10倍,极易出现上述一一击穿烧毁的问题,但如果此时两者都串入1Ω的电阻,则此时两条支路的电阻分别为1.005Ω和1.050Ω,此时两条支路的电流近似相等,从而实现分流。

按照类似的原理,似乎在线性稳压输出端串阻后并联是可行的,但实际上串阻会降低电源效率,且在电流较大时,在输出端串联电阻上的压降会使得实际输出电压低于目标输出,所以一般不会这样设计。实际上,对多数线性稳压我们不会并联设计,但确实有少部分三极管内部具有特殊的结构,可以接受并联(一般在数据手册中会说明,作者曾经看到过这样的线性稳压,但因找不到对应的数据手册这里就不给出型号了)。除此之外,还有一些特殊的结构可以实现线性稳压的并联。
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上图来自TL1963A(datasheet),其在示例中给出了并联使用的方法,TL1963最大输出电流1.5A,并联后最大输出电流3A。这里TL1963A需要配置输出与TL1963A-33相同,即3.3V。

改电路的核心是加入了电流反馈,电阻R1和R2是检流电阻,用于检测经过TL1963A-33和TL1963A的电流。由于两者输入端电压是相等的,当经过TL1963A-33的电流较大时,电阻R1上的压降较大,运放同相输入端电压低于反相端,输出低电平,此时相当于电阻R5和电阻R7并联,阻值减小,TL1963A的ADJ引脚电压降低,其内部的反馈电路会提高OUT的输出,从而平衡二者电流;同理,当经过TL1963A的电流较大时,电阻R2上的压降较大,运放反相输入端电压低于同相端,输出高电平,TL1963A的ADJ引脚电压升高,其内部的反馈电路会降低OUT的输出。

Multisim仿真文件下载地址:

  1. 外接PNP的扩流
    链接:https://pan.baidu.com/s/1WR-HpgiBEZn8qJcLPh38rQ
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  2. 外接NPN的扩流
    链接:https://pan.baidu.com/s/1lAbzuIHzt6yEBMrY71r7jg 提取码:2nqd