Активный шунтирующий ограничитель напряжения превосходит стабилитрон. Часть 1

Мне нужна схема для ограничения напряжения на устройствах, рассеивающих некоторую мощность. Она должна симметрично ограничивать напряжение на максимальном уровне 1.5 В, выдерживать ток 2 А и иметь ток утечки менее 100 мкА при напряжении 1 В.

Могли бы помочь два стабилитрона, включенных последовательно анодами друг к другу, но стабилитронов с напряжением стабилизации 0.8 В и рассеиваемой мощностью 2 Вт в продаже нет.

Я поискал в Интернете какой-нибудь доступный вариант и нашел одну статью [1] на веб-странице EDN, однако схема не может ограничивать напряжение ниже 2.5 В. В другой статье [2] ток достигает 6 А, но минимальное напряжение, равное 1.8 В, опять же слишком велико для моего приложения. Еще одна схема [3] основана на единственном компоненте, который ограничивает напряжение на уровне 1.5 В, но ее сопротивление составляет порядка 1 Ом, что в сочетании с требуемым током 2 А дает слишком высокое напряжение. Уровень ограничения напряжения в схеме [4] зависит от характеристик MOSFET, и для моего приложения это не вариант, поскольку для того, чтобы найти приемлемые напряжения ограничения, мне пришлось бы проверять и отбирать MOSFET. Наконец, в варианте [5] предлагается идеальный диапазон напряжений с максимальным током 8 А, но собственный ток потребления составляет 200 мкА, и это в два раза превышает значение, допустимое для моего устройства. Вывод: я должен сам разработать схему в соответствии со своими потребностями.

Необходимыми характеристиками обладает схема, показанная на Рисунке 1. Это модифицированный стабилизатор напряжения параллельного типа. В этом приложении регулируемое напряжение поступает от внешнего источника – показанной на схеме батареи BT.

Рисунок 1.	Прозрачная защелка на основе обычных КМОП инверторов. Вход данных – «D», вход разрешения – «E».

Допустим, что опорное напряжение схемы V_REF равно 1.5 В, и что напряжение на выходе схемы также равно 1.5 В. Поскольку напряжения на обоих входах усилителя U1 одинаковы, напряжение на его выходе равно 0 В, MOSFET выключен, и ток через него не протекает. Если внешнее напряжение повышается, выходное напряжение операционного усилителя (ОУ) становится более отрицательным и включает p-канальный MOSFET Q1, используемый в конфигурации истокового повторителя, вследствие чего ток, протекающий через D1 и Q1, увеличивается. Когда схема ограничивает напряжение, ее выходное сопротивление приблизительно равно сумме сопротивления диода и сопротивления R_DS(ON) открытого транзистора Q1, деленной на коэффициент усиления напряжения усилителя U1 без обратной связи. Выходное сопротивление находится в диапазоне сотен миллиом. Резистор R1 в цепи затвора устраняет риск возникновения колебаний в MOSFET.

Когда выходное напряжение становится ниже опорного, выходное напряжение усилителя U1 становится положительным, а транзистор Q1 переходит в область слабой инверсии или подпороговую область [6]. Затем цепь обратной связи размыкается, и выход операционного усилителя насыщается до максимально возможного положительного напряжения. Диод D1 блокирует любой обратный ток, который может протекать через паразитный диод транзистора Q1, если напряжение на выходной клемме становится отрицательным. Если напряжение на выходе ниже напряжения ограничения, ток, протекающий на выходе схемы, представляет собой сумму обратного тока утечки диода D1 и входного тока смещения усилителя U1.

Резистор R2 защищает U1 от отрицательных выбросов напряжения и позволяет реализовать частотную коррекцию петли ОС через конденсатор C1, изолируя инвертирующий вход операционного усилителя от выхода. Емкость конденсатора C1 зависит от типа ОУ, выбранного MOSFET и разводки печатной платы.

Максимальный номинальный ток определяется как ток, при котором общее падение напряжения на диоде и MOSFET равно опорному напряжению. Это выражается следующей формулой:

где

V_REF – опорное напряжение;
V_F – падение напряжения на диоде D1 при номинальном токе;
R_DS(ON) – максимальное сопротивление сток-исток MOSFET;
I_MAX – максимальный ток источника.

Если подается ток, больший, чем I_MAX, выходное напряжение линейно возрастает от установленного предела. При подаче слишком большого тока либо D1, либо Q1 перегрузятся или перегреются, что приведет к необратимому выходу из строя. В зависимости от используемого полевого MOSFET, максимальный ток также может быть ограничен максимальным выходным напряжением операционного усилителя.

Таблица 1.	Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 1
Напряжение (В) Ток 1.49938 3 А 1.49941 300 мА 1.49951 30 мА 1.49954 3 мА 1.49943 302 мкА 1.49947 30.5 мкА 1.49950 3.05 мкА 1.49954 350 нА 1.49950 50 нА 1.333 10.3 нА –13.75 –20 нА –13.95 –250 нА

Результаты измерений в реальной схеме представлены в Таблице 1. Все измерения выполнялись при напряжениях V_CC и V_EE, равных +15.5 В и –15.5 В, соответственно, поскольку эти напряжения были указаны в техническом задании на прибор. Для получения хороших результатов следует обратить внимание на то, как во время измерений подключается вольтметр; необходимо использовать четырехпроводное подключение Кельвина и стабильный источник опорного напряжения.

Рисунок 2.	Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 1 при больших токах. Обратите внимание на прямоугольный излом.

На Рисунке 2 показана зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 1. При изменении тока от 3 мкА до 3 А схема поддерживает напряжение, равное опорному, отклоняясь от него не более чем на 1 мВ. Излом кривой очень острый.

Начальная часть предыдущей кривой при малых токах показана на Рисунке 3; общий диапазон токов достигает почти 170 дБ. В большей части диапазона от –14 В до +1.5 В ток составляет менее 100 нА. Из рисунка видно, что когда напряжение достигает отрицательных 14 В, ток увеличивается. Увеличение тока происходит из-за того, что напряжение приближается к предельно допустимому для этого операционного усилителя значению синфазного напряжения.

Рисунок 3.	Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 1 при малых токах показывает увеличение тока, когда напряжение приближается к предельному значению синфазного напряжения.

В схеме используются общедоступные компоненты. Диод D1 и MOSFET следует выбирать из расчета пропускания максимального тока и с учетом того, что общее падение напряжения при максимальном токе должно быть меньше опорного напряжения. В зависимости от значения тока, транзистору может потребоваться радиатор. В качестве D1 я использовал диод Шоттки, но подойдет и обычный кремниевый диод с p-n переходом. Поскольку входной ток смещения U1 течет с выхода, я использовал операционный усилитель c полевыми транзисторами на входах. В схеме будет работать любой операционный усилитель с малым током смещения.

Ссылки

1. Peter Demchenko. Параллельный регулятор ограничивает большие помехи или стабилизирует напряжение
2. Chris Toliver. Мощный шунтовой регулятор на основе биполярного транзистора и микросхемы ИОН
3. Adolfo Mondragon. Мощный стабилитрон на основе регулятора LM317
4. Stuart R. Michaels. Параллельный регулятор на MOSFET заменяет последовательный регулятор
5. Robert N. Buono. High-Current, Low-Voltage Shunt Regulator.
6. Sansen, Willy. M. Analog Design Essentials. ISBN-13: 9781489978912, page 24.
7. Pease, Robert. «Bounding, clamping techniques improve circuit performance». EDN, November 10, 1983. Pages 277 to 289.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TL071
2. Datasheet Texas Instruments TL072
3. Datasheet Texas Instruments TL081
4. Datasheet Vishay 50SQ080
5. Datasheet ON Semiconductor FQP27P06
6. Datasheet Vishay IRF640