3A開關穩壓電源問題

按下第一圖做出來的穩壓電源，功率管很熱。有人用示波器測過，功率管沒有
截止，只在飽和與線性之間切換。輸入24伏，直流有脈動成分。輸出5伏恆穩
直流。假設輸出電流需要3A。看看怎樣修改才能把功率管熱耗降下來。



為了達到3A的輸出電流，負載電阻應為1.67歐。根據LM317穩壓器件的輸出電
壓公式

V = 1.25(1+(R4+R5)/R3)                  (1)

R4應該調為大約620歐。

現在說說電路的理想工作狀態。功率管截止，電感L沒有電流時，其管壓是
24-5 = 19伏。功率管導通時，給電感L充電器，希望電感的感生電壓Ldi/dt
接近18伏。讓功率管處在飽和狀態，這樣其管壓只有1伏左右。導通的時間長
短和di/dt決定了電感L最大電流I的大小。

電感L電流=I時，功率管截止。電感L以Vout約=5伏的電壓向電容C4和負載放
電(把D1看成理想二級管)。按照

Ldi/dt = -5                             (2)

的方程，解出放電時間

T = LI/5                                (3)

功率管截止到電感L放電完畢，電感L向電容C4和負載所傳遞的功是

W = 0.5LI^2                            

功率

P = W/T = 0.5(5)I                       (4)

這個功率要大於負載功率5(3)才行。也就是

0.5I > 3                               (5)

也就是說電感L電流I的一半要大於負載電流。這樣，電感L放電，能在T時間裡
提供足夠的負載電流。多出的部分為電容C4充電。

T時間後，C4放電為負載提供電流。當C4電壓(Vout)低了一點後，LM317的輸出
(5伏)通過R2有電流流向Vout。其值是(5-Vout)/R2。這會使LM317的輸入產生
一個比這略大的電流。這個電流在R1上的壓降使功率管開啟導通。功率管開啟
導通後，給電感L，電容C4充電。當C4電壓(Vout)提高后，R2的電流接近0，R1
上的壓降減小，使功率管截止。

C3，R6等器件構成正反饋環節。當功率管開啟導通時，其射極電壓因Ldi/dt升
高。正反饋提高LM317的輸出電壓，加速功率管導通飽和。當功率管開啟始截止
時，其射極電壓因Ldi/dt降低。正反饋降低LM317的輸出電壓，功率管基級電壓
加速功率管截止。

假設功率管Q1射基電壓0.5伏開啟。

dV = 0.5(0.25)/22 = 0.0056伏。當Vout比LM317的輸出低dV時，Q1開始導通。
也就是說，Vout = 5 - dV 時，Q1開始導通。如果沒有正反饋，Vout再低後回
到5 - dV 時，Q1開始截止。

假設Q1導通對電感L的充電電壓是19伏，

Ldi/dt = 19                           (6)

i = 19t/L                             (7)

Int(0,T)19tdt/L = 3T

T = 2(3)L/19                          (8)

T時間後，Vout再回到5 - dV，Q1開始截止。此時L的電流為

I = 2(3)                              (9)

正好是負載電流的兩倍。

現在考慮正反饋環節。Q1導通正反饋把LM317的輸出電壓推高0.12伏(是Vin-
Vout的函數，這個差值越大正反饋越深)。這不僅加速了Q1飽和，也使充完電的
L的電流大於負載電流的兩倍。這保證，L放完電，Q1還處在截止狀態。解如下方
程

Int(0,T)19tdt/L - 3T = 0.12C4         (10)

求出L的最大電流 I = 6.12A

Q1截止正反饋把LM317的輸出電壓拉低0.03伏(是Vout的函數，Vout越大正反饋
越深)。這不僅加速了Q1截止，也使L的放電完畢後，有一定的時間延遲才再使Q1
導通。

現在談談功率管發熱，沒有截止，只在飽和與線性之間切換的可能的原因。

如果功率管不能在飽和狀態提供6.12A的電流。功率管不能從飽和直接過渡到截止。
假設功率管只能在飽和狀態提供5.8A的電流，那麼，L的電流升到5.8A時，電感
L的感生電壓開始下降，滑到線性放大區。感生電壓下降後，正反饋深度變小，推
遲了功率管截止。就算能讓功率管截止，但不滿足(5)的話，電感L電流還沒有放
完，負載就從C4吸取電流，使C4電壓降低。這樣功率管又很快導通。由於電感L中
還有電流，電感上的電流變化率就會較小，電感L的感生電壓不會太高，這樣相當
一部分電壓落在功率管上。注入電感能量的功率是Ldi/dt*i。從能量角度分析是，
如果電感L殘留電流是Ir，這次導通傳遞的功是 0.5LI^2-0.5LIr^2比 0.5LI^2
小。也就是說，功率管的功耗變大。

在如果功率管不能在飽和狀態提供足夠的電流，Vin-Vout越大，功率管的熱耗越
大。

所以我認為，功率管提供的飽和電流不夠可能是功率管發熱的根本原因。