一種低成本的精密電源設計

作者 : Jim McLucas,EDN特約作者

本設計實例展示一款具有熱超載保護和短路保護功能的精密電源,能以低成本提供100mA電流...

您有時需要便宜的精密電源嗎?本設計實例展示了一款具有熱超載保護和短路保護功能的精密電源,它可以提供100mA的電流。由於我之前需要這樣的電源,於是開始使用Google在網頁上尋找是否有現成的合適電路。最後當然沒能找到任何可接受的解決方案,但確實得到了一些讓我開始這個設計的想法。

1所示的電路是圍繞LM317L電壓穩壓器所設計的。確實,這是一款舊式的穩壓器,但目前仍在服役中且價格便宜,還很容易買到。該電路在從LM317L輸出到其穩壓接腳的反饋迴路中使用了軌對軌(輸入和輸出)運算放大器(op amp)。LM4040BIZ這款廉價的精密電壓參考則用於為此運算放大器建立0.2%的電壓參考。

圖1:這款電源電路是圍繞LM317L穩壓器所設計的。

我在LTspice groups.io網站(LTspice@groups.io)上找到了LM317的SPICE模型,並進行了一些模擬,想看看是否可以實現穩定的配置。根據LTspice模擬和SPICE模型,所得到的配置相當穩定,其相位裕度約為70°。對LM317L輸出串聯3.3Ω的電阻可能有違常理,但它可以有效地增加電路的穩定性,並且在輸出電流為100mA時,該電阻中的功耗僅為33mW。

反饋迴路將電路的輸出阻抗保持在非常低的水準(2),因此3.3Ω電阻不是問題。輸出濾波電容C4有助於迴路穩定性。該迴路在C4值等於10μF時是穩定的,但使用22μF的較大電容值則為保守設計提供了更多餘裕。低阻值的R7和R8可確保實現所需的最小輸出電流,而且它們還能使反饋迴路更加穩定。

圖2:反饋迴路將電路的輸出阻抗保持在非常低的水準。

LM317L的原理圖根據製造商的不同而異,而且LM317的LTspice模型可能無法為該元件完全建模,因此在使迴路穩定時需要非常謹慎。

請注意,參考輸出上的R9~C5濾波器可能不需要使用。這裡使用它們是為了消除LM4040BIZ所產生的大部份雜訊。該運算放大器電路和輸出電容器C4所提供的重度濾波可能就足夠了。

我製作並測試了這個電路,它能夠按預期地運作。接著我為R7和R8使用了兩個標稱值為243Ω的匹配電阻,電路精度為0.2%,輸出電壓為4.99V。而且,正如LTspice模擬所預測的,該反饋迴路在負載小於10mA和最大負載為100mA時是穩定的。

當為R7和R8使用1%的電阻時,最壞情況的輸出電壓精度為1.2%。R7和R8使用一對匹配電阻時,電壓精度接近0.2%。為了獲得更高的精度,可以使用指定為0.1%電壓精度的LM4040,但這樣做成本會稍微增加。最後,我所做的這個設計結果顯示,該電路能有效地作為一種低成本精密電源,且其輸出電流高達100mA。

(參考原文:An inexpensive, precision power supply,by Jim McLucas)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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