利用LT1083建構7.5A穩壓器

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

設計任何PCB的電源部份時,工程師都知道常用控制器安全可靠且易於使用,但其電流有限。如果需要更大電流,可以使用ADI LT1083穩壓器來實現簡單實惠的解決方案...

設計任何電路板(PCB)的電源部份時,最常用的穩壓器是78XX、79XX、LM317、LM337或類似元件。工程師知道這些控制器安全可靠且易於使用,但它們的電流有限。如果需要更大電流,可以使用Analog Devices (ADI)的LT1083穩壓器來實現簡單實惠的解決方案。

強大的穩壓器

LT1083穩壓器(參見圖1中的符號和接腳排列)允許調整正電壓,並能高效地提供高達7.5A的電流。內部電路設計用於在輸入和輸出之間以高達1V的壓差執行作業。在最大輸出電流條件下,最大壓差為1.5V。外部需要一個10μF輸出電容。以下是值得注意的一些特性:

  • 可調輸出電壓;
  • 最大7.5A電流;
  • TO220封裝;
  • 內部限制功耗;
  • 最大30V的差分電壓。

它可用於如開關穩壓器、恒流穩壓器、高效率線性穩壓器和電池充電器的各種應用。本文所探討的型號具有可變且可配置的輸出電壓。另外還有兩個型號——LT1083-5和LT1083-12,其輸出分別穩定在5V和12V。

LT1083 regulator

圖1:LT1083穩壓器。

5V輸出電壓的最小應用

 圖2顯示5V穩壓器的應用參考圖。輸入電壓必須始終大於6.5V。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,從而大幅降低系統的效率。該穩壓器透過其三個接腳連接到輸入、輸出和電阻分壓器,後者用於確定輸出電壓值。強烈建議使用兩個電容器,一個在輸入端,一個在輸出端。該方案能夠將輸出電壓恰好穩定在5V。因此,分壓器由兩個1%精密電阻組成,第一個是121Ω,第二個是365Ω。很明顯地,用調整器或電位計替換這兩個被動元件,便可實現可變電壓的電源系統。

5-V Output voltage

圖2:5V輸出電壓之最小化但完全正常運作的應用方案。

 圖3顯示了負載電流和整合穩壓器功耗的第一次測量結果。模擬是透過測試不同負載值來執行的,負載阻抗在1Ω到20Ω範圍。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5V)。但是,流經負載的電流以及整合穩壓器的功耗差異極大。只要在製造商設定的工作限值以內,該穩壓器便非常穩定和安全。

measurements on the schematic of the 5-V regulator

圖3:5V穩壓器原理圖的測量結果。

該穩壓器設計支援最高1V的壓差。此壓差與負載電流無關;由於其值較低,最終系統的效率可能非常高。圖4所示的曲線分別為輸入電壓曲線(0V到8V,紅色)和輸出電壓曲線(藍色)。根據製造商的特性規定,在這兩個電壓之間具有大約1V的有效「壓差」。

input, output and Dropout voltage

圖4:輸入和輸出曲線以及壓差。

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

output stability

圖5:此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,效率更高得多。在18V、12V和6.5V三個不同電源下,使用不同負載值所測得的平均效率如下所示。

  • 輸入電壓為18V時,電路效率等於26.71%;
  • 輸入電壓為12V時,電路效率等於40.84%;
  • 輸入電壓為6.5V時,電路效率等於75.37%。

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

溫度的影響

即使存在溫度變化,本文所探討的穩壓器也非常穩定。雖然製造商在官方檔案中所認證的穩定性為0.5%,但實際獲得的結果更令人滿意。現在來研究一個與上述第一個方案等效的簡單應用方案,其靜態特性如下:

  • 輸入電壓:6.5V;
  • 輸出電壓:5V;
  • 輸出端所連負載的阻性阻抗:5Ω;
  • 負載電流:1A;
  • 穩壓器功耗:1.51W。

現在可以透過在-10℃到+100℃的範圍內改變溫度來執行模擬。透過圖6所示曲線可以發現,在非常寬的溫度範圍內(110℃溫差),輸出實際上保持恒定。該IC非常穩定,在兩個溫度極值下,輸出電壓的最大變化只有6.2μV。

output voltage at different operating temperatures

圖6:此曲線顯示了不同工作溫度下的輸出電壓變化。

保護二極體

LT1083穩壓器不需要任何保護二極體,如7所示。事實上,新的元件設計由於使用了內部電阻而能夠限制返回電流。此外,在該IC輸入和輸出之間的內部二極體,能持續管理50A至100A電流峰值達數微秒之久。因此,調節接腳上的電容器也不是嚴格需要。只有當將電容值大於5000μF的電容器連接到輸出並同時將輸入接腳短接到地時,才可能損壞穩壓器,而這是一個不太可能發生的事件。

no protection diode

圖7:輸出和輸入之間不再需要保護二極體。

如何獲得不同電壓

輸出接腳和調節接腳之間存在一個等於+1.25V的參考電壓。如果將一個電阻放置在這兩個端子之間,則在該電阻上會有恒定電流流過。連至接地的第二個電阻可用來設置整體輸出電壓。10mA的電流足以實現此精確調節。透過提供調整器或電位計,可以創建可變電壓電源。調節接腳上的電流非常低(大約幾微安),可以忽略不計。對於14V的電源,以下是這兩個電阻的計算步驟,圖8中的分壓器原理圖和圖9所示的公式中包含這兩個電阻:

  1. 輸入電壓Vin必須始終比所需的輸出電壓高出至少1V,因此Vin>15V;
  2. 在輸出接腳和參考接腳之間,始終存在一個1.25V的電壓;
  3. 輸出接腳與參考接腳之間的電阻R1中必須有10mA的電流;
  4. R1的值等於電阻上的電位差與必須流經其中的電流之比;
  5. 參考接腳電壓等於輸出電壓減去固定電壓1.25V;
  6. 電阻R2中也必須流過10mA的電流,因此可以透過歐姆定律輕鬆算出。

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

divider resistances calculation

圖8:對分壓器電阻進行計算,從而獲得任何電壓值。

equations to calculate the two resistances

圖9:計算這兩個電阻的方程式。

總結

LT1083三端穩壓器可調整且非常易於使用。它具備通常只有高性能穩壓器才提供的多種保護功能。這些保護系統可因應短路情況,並在溫度超過165°C時發生熱關斷。出色的穩定性支援創建高品質的電源系統。為了確保完全穩定,必須使用一個150μF的電解電容或一個22μF的鉭輸出電容。

(參考原文:Using LT1083 to build a 7.5-A voltage regulator,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年10月號雜誌

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