多重保护的传感器用线性稳压电源设计

刘 溢高炳涛李春燕卢 超

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

1 引言

目前,传感器电路的供电系统一般多采用集成稳压器芯片,具有对设计者要求不高、使用方便、外围电路简单等诸多优点。但是,此类芯片只能采用低压直流供电,在一些工业现场不具备直流电源,从而限制了传感器的使用或增加了额外的电源适配工作。因此,设计了一种适用于传感器的线性稳压电源,可以同时兼容直流供电和交流供电,供电范围宽,而且具备输入过压保护、输出过压保护、输出限流保护等多重保护功能[1-3],很大程度上提高了传感器的通用性和安全性。

2 总体设计

线性稳压电源主要由输入电路、稳压控制电路、输出电路以及多重保护电路构成[4,5],如图1 所示。其中,前三者组成线性稳压电源的基本拓扑结构,完成交／直流输入至直流输出电压转换。输入电路主要由整流滤波／极性保护电路构成,可兼容直流供电和交流供电;对于交流输入,实现整流和滤波;对于直流输入,实现无极性输入。稳压控制电路作为线性稳压电源的核心,实现输出电压幅值转换和控制,并使之不随源或负载变化而变化。输出电路主要由储能型滤波电容构成,对外提供平滑的直流电平。

图1 总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram

多重保护电路包括输入过压保护、输出过压保护和输出限流保护,分别从输入、输出和电压、电流等方面提供保护,实现在各种复杂工况条件下电源稳定、可靠地工作,确保电源的适应性和安全性。

线性稳压电源对应的电路原理图如图2 所示,以下从理论设计和仿真分析两方面介绍各部分工作原理和设计过程。

图2 线性稳压电源电路原理图Fig.2 Circuit schematic of linear ragulated power supply

3 线性稳压电路设计

基本调整管稳压电路由限流电阻、基准源和晶体管构成,如图3 所示。利用晶体管和负载电阻引入电压负反馈,使得输出电压Uo维持在Udz-Ube基本不变,其中,Udz表示稳压二极管Dz的稳压值,Ube代表三极管T基极和发射极两端电压。其稳压原理为:当Uo增大时,晶体管发射集电位Ue升高,而基极电位Ub基本不变,则Ube减小,导致基极电流Ib减小,则发射集电流Ie随之减小,从而Uo相应减小,反之亦然。因此,Uo保持基本不变。

图3 基本调整管稳压电路Fig.3 Voltage-stabilizing circuit of basic regulator

基于此,设计稳压控制电路如图2 中第③部分所示,并以此为核心确定线性稳压电源的基本拓扑结构,由图2 中①输入电路、③稳压控制电路和⑥输出电路构成。

3.1 输入电路设计

输入电路主要由整流桥、滤波电容和保护器件构成。对于交流输入,整流桥将之转变为脉动直流,配合滤波电容C4,给后端稳压控制电路提供直流输入。为了抑制EMI 传导干扰,同时提高安全性,在电源入口设置三个安规电容。其中,C3为X电容,滤除差模干扰;C1、C2为Y 电容,滤除共模干扰;TR1为压敏电阻,提供瞬态过压保护。

对于直流输入,整流桥提供极性保护,实现无极性输入,正接、反接均可正常工作;原理与交流输入时正、负半周整流类似,通过整流桥后在电容C4两端均为上正、下负直流电源,此处不再详细介绍。因此,很大程度上提高了传感器的通用性和安全性。

3.2 稳压控制电路设计

稳压控制电路主要由基准源和调整管构成。基准源包括稳压二极管D3和通用二极管D4、D5;D3起主要作用,D4、D5构成电压微调,共同提供的基准电压按公式（1）计算。

式 中:Vref——基准电压;VD3——D3的稳压值;Von——D4、D5的正向压降。

此处,从功率、耐压、散热等方面考虑,调整管由晶体管替换为N 沟道增强型场效应管Q3。其输出电压按公式（2）计算。

式中:Vout——线性稳压电源输出电压;Vgs3——Q3的栅源控制电压。

场效应管为电压控制型,其稳压原理与晶体管类似,当Vout升高时,根据公式（2）,Vgs3降低,由于跨导是确定的,则Q3的漏极电流Id降低,输出Vout回落,反之亦然。

由公式（2）可知,调整基准电压值即可调整输出电压。本设计中,取VD3=16 V,设Von≈0.5 V,Vgs3≈2.5 V,则Vout≈14.5 V,可直接给后端运放、继电器等通用器件供电,也可接LDO 提供5 V、3.3 V等恒定电压,或者通过变压器提供隔离电源。

3.3 输出电路设计

电源输出滤波一般包括储能电容滤波和π 型滤波电路,后者又分为电感式和电阻式,为简化设计,此处采用前者,包括470 uF、100 nF、100 pF 三个滤波电容,组合式滤波,更大程度消除电源波动。

3.4 仿真分析

通过Multisim 建立仿真模型,设置输入电源分别为24 VDC 和220 VAC,负载电阻为200 Ω,输入、输出瞬态仿真结果分别如图4（a）、（b）所示。Vout分别为14.19 V 和14.52 V,与理论设计值吻合;0.33 V差异主要来源于D4和D5两个二极管的压降Von,220 VAC 输入时,其流过电流更大,Von更大,根据公式（1）和公式（2）可知输出也越大。

图4 输入—输出瞬态仿真图Fig.4 Input-output transient simulation diagram

4 多重保护电路设计

4.1 输入过压保护

输入过压保护电路如图2 中第②部分所示,由电阻R1、R2和稳压管D1、D2以及N 沟道增强型场效应管Q2组成[6]。

输入电压Vin经R2与R1分压后施加在Q2的栅极,则Q2的栅源电压Vgs2按公式（3）计算。

式中:VD2——D2的稳压值。若Vin超过设定值,使得Vgs2大于Q2开启电压Vgs2（th）,则Q2导通,基准电压Vref被钳位至

式中:Vds2——Q2的漏源电压。由于Q2工作在开关状态,则Vds2≈0,Vref≈VD2。设计VD2大大低于正常值,则由公式（2）可知,Vout也因此降低至一个很低的数值,以保护后端电路不遭损毁。

电路的输入过压保护阈值按公式（5）计算。

式中:（Vin）max——输入过压保护阈值。根据需要确定各参数值,本设计中,考虑到要兼容220 VAC 供电,当负载开路时,其整流后电压峰值为

通过Multisim 建立仿真模型,设置仿真类型为DC Sweep 模式,扫描对象为输入电源Vin,范围从24 VDC至400 VDC,步长0.1 V,输出对象为Vout,仿真结果如图5 所示。当Vin<344 V 时,Vout输出14.46 V,正常工作;Vin≥344 V 时,触发输入过压保护,此时Vout=2.95 V,与理论设计一致。其中,过压保护时Vout比2.6 V 略高的原因为:Vout突降,输出电流减小,导致流过Q3的漏极电流减小,进而Vgs3略微减小,低于2.5 V,则Vout相应略微升高。

图5 输入过压保护仿真图Fig.5 Simulation diagram of input overvoltage protection

本设计中,由于要兼容220 VAC 输入,因此阈值电压设置较高,实际应用中,可以调整R1和R2的比值,灵活设置保护阈值。此外,为了保护Q2的栅源电压Vgs2不高于其最大允许值,在R2两端并联稳压管D1。

4.2 输出过压保护

输出过压保护电路如图2 中第⑤部分所示,主要由N 沟道场效应管Q4、稳压管D9、二极管D7和辅助阻容元件构成[7]。

设置R12≫R11,则Q4的栅源电压Vgs4满足

式中:VD9——D9的稳压值;VD7——D7的正向压降。随着Vout增大,使得Vgs4大于Q4开启电压Vgs4（th）时,Q4导通,基准电压Vref被钳位至

式中:Vds4——Q4的漏源电压。由于Q4工作在开关状态,则Vds4≈0,Vref≈VD7≈0.5 V

输出过压保护阈值按公式（10）计算。

式中:（Vout）max——输出电压保护阈值。根据需要确定D9参数,本设计中,取VD9=13 V,设VD7≈0.5 V,Vgs4（th）≈2.4 V,则有

通过Multisim 建立仿真模型,设置仿真类型为Parameter Sweep,扫描对象为D3的稳压值VD3,扫描范围从16 V～19 V,步长为0.01 V,输出对象为Vout,扫描结果如图6 所示。随着VD3的增大,Vout也跟随增大,当Vout增大至15.58 V 时,触发输出过压保护功能,此后不再增大,与理论设计一致。其中,过压保护时Vout比15.9 V 略低的原因为:流过Q4漏极和D7的电流比较小,导致Vgs4（th）和VD7比预计值略微减小,则Vout相应略微减小。

图6 输出过压保护仿真图Fig.6 Simulation diagram of output overvoltage protection

4.3 输出限流保护

输出限流保护电路如图2 中第④部分所示,主要由限流电阻R9／R10、稳压管D6和二极管D8构成[8]。

根据基尔霍夫电压定律,对Vgs3、R9//R10、D6、D8、R7环路,有

式中:VR——限流电阻R9//R10两端压降;VD6——D6稳压值;VD8——D8正向压降;VR7——电阻R7两端压降。由于场效应管栅极电流非常小,为nA 级,因此,VR7可以忽略不计。

随着输出电流Iout增大,VR也增大,VD6随之增大直至D6导通,此后VD6保持恒定。随着Iout继续增大,Vgs3相应减小;直至Vgs3小于Q3的开启阈值Vgs3（th）,Q3关断,切断输出,Iout立即降低,进而Q3恢复导通,Iout相应恢复。如此反复,使得Iout维持在阈值水平,实现输出限流保护。

输出限流阈值按公式（12）计算。

式中:（Iout）max——输出限流阈值。根据需要选取各参数值,本设计中,取R9=R10=6.81 Ω,VD6=6.2 V,设VD8≈0.5 V,Vgs3（th）≈2.5 V,则有

通过Multisim 建立仿真模型,更改负载电阻为1 Ω,则理论输出电流约为14 A,远远超出设计限流值。设置仿真类型为Parameter Sweep,扫描对象为D6的稳压值VD6,扫描范围从5.2 V～7.2 V,步长为0.1 V,输出对象为Iout,扫描结果如图7 所示。Iout触发了限流功能,且随着VD6增大,限流阈值线性增大,当VD6=6.2 V 时,Iout=1.23 A,与设计吻合。

图7 输出限流仿真图Fig.7 Simulation diagram of output current limiting

5 源效应、负载效应分析

5.1 源效应分析

通过Multisim 建立仿真模型,设置输入为24 V～25 V 脉冲电源,脉冲宽度为20 ms,周期为40 ms,仿真类型为Transient,仿真结果如图8（a）所示。当输入电源波动1 V 时,Vout波动20 mV,对大多数应用来说可以接受,对精度要求很高的场合,可以在后端增加基准源。

图8 源效应仿真图Fig.8 Source effect simulation diagram

输出波动的原因为:输入电源电压变化时,流经二极管D4、D5和稳压管D3支路的电流也跟随变化。对于稳压管D3,其利用反向伏安特性曲线,非常陡峭;而对于普通二极管D4、D5,利用其正向伏安特性曲线,相同电流变化导致的电压变化相对更大,因此导致基准电压Vref产生变化,进而输出改变。基于此,去掉D4、D5后再次仿真,结果如图8（b）所示。Vout仅仅变化5 mv,源效应整整提高4倍。因此,可以根据实际需要决定D4、D5的去留。

5.2 负载效应分析

通过Multisim 建立仿真模型,利用定时开关在原200 Ω 负载上定时并联200 Ω 负载,测试负载变化时输出性能,仿真结果如图9 所示。当负载由200 Ω 变为100 Ω 时,输出电流由70.95 mA 变化为139.64 mA,输出电压由14.19 V 变化为13.96 V,变化0.23 V。

图9 负载效应仿真图Fig.9 Load effect simulation diagram

输出变化的主要原因为,负载电流Iout变化导致限流电阻R9／R10上的压降变化:（139.64-70.95）×3.405=234 mV。负载效应受限流电阻影响较大,因此,可以针对性降低限流电阻的阻值,但同时需要考虑输出限流的变化。考虑到传感器负载电流一般不超过20 mA,负载效应不明显,本设计中不予调整。

6 试验验证

分别采用24 VDC 和220 VAC 供电,测试线性稳压电源输出,如图10（a）、（b）所示。Vout分别为14.082 V 和14.240 V,与3.4 节理论设计和仿真分析吻合。细微差异主要来自于实际器件和仿真模型的参数差异,其中,交流输入时的差异比直流输入时略大是由于实际整流、滤波效率略低于理论值。调整直流供电电压为25 VDC,Vout由14.082 V变化为14.105 V,变动23 mV,与5.1 节源效应仿真分析一致。将负载电阻由200 Ω 调整为100 Ω,Vout由14.082 V 变化为13.844 V,变动238 mV,与5.2节负载效应仿真分析一致。

图10 试验测试现场图Fig.10 Test diagram

7 结束语

设计了一种带多重保护的线性稳压电源,同时兼容直流供电和交流供电,输出电压14 V 左右,负载电流能力1.2 A,并且具备输入过压保护、输出过压保护和输出限流保护功能,能够满足大多数传感器的供电需求。从理论设计和仿真分析两方面阐述了电源各部分的工作原理,以及如何根据需要调整各项参数,以调整输出电压、保护电压、输出电流、源效应、负载效应等各项指标,从而满足各种特定需求,提高了电源的通用性。最终,通过试验测试验证了设计的正确性。