3A开关稳压电源问题

按下第一图做出来的稳压电源，功率管很热。有人用示波器测过，功率管没有
截止，只在饱和与线性之间切换。输入24伏，直流有脉动成分。输出5伏恒稳
直流。假设输出电流需要3A。看看怎样修改才能把功率管热耗降下来。



为了达到3A的输出电流，负载电阻应为1.67欧。根据LM317稳压器件的输出电
压公式

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

R4应该调为大约620欧。

现在说说电路的理想工作状态。功率管截止，电感L没有电流时，其管压是
24-5 = 19伏。功率管导通时，给电感L充电器，希望电感的感生电压Ldi/dt
接近18伏。让功率管处在饱和状态，这样其管压只有1伏左右。导通的时间长
短和di/dt决定了电感L最大电流I的大小。

电感L电流=I时，功率管截止。电感L以Vout约=5伏的电压向电容C4和负载放
电(把D1看成理想二级管)。按照

Ldi/dt = -5                             (2)

的方程，解出放电时间

T = LI/5                                (3)

功率管截止到电感L放电完毕，电感L向电容C4和负载所传递的功是

W = 0.5LI^2                            

功率

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

这个功率要大于负载功率5(3)才行。也就是

0.5I > 3                               (5)

也就是说电感L电流I的一半要大于负载电流。这样，电感L放电，能在T时间里
提供足够的负载电流。多出的部分为电容C4充电。

T时间后，C4放电为负载提供电流。当C4电压(Vout)低了一点后，LM317的输出
(5伏)通过R2有电流流向Vout。其值是(5-Vout)/R2。这会使LM317的输入产生
一个比这略大的电流。这个电流在R1上的压降使功率管开启导通。功率管开启
导通后，给电感L，电容C4充电。当C4电压(Vout)提高后，R2的电流接近0，R1
上的压降减小，使功率管截止。

C3，R6等器件构成正反馈环节。当功率管开启导通时，其射极电压因Ldi/dt升
高。正反馈提高LM317的输出电压，加速功率管导通饱和。当功率管开启始截止
时，其射极电压因Ldi/dt降低。正反馈降低LM317的输出电压，功率管基级电压
加速功率管截止。

假设功率管Q1射基电压0.5伏开启。

dV = 0.5(0.25)/22 = 0.0056伏。当Vout比LM317的输出低dV时，Q1开始导通。
也就是说，Vout = 5 - dV 时，Q1开始导通。如果没有正反馈，Vout再低后回
到5 - dV 时，Q1开始截止。

假设Q1导通对电感L的充电电压是19伏，

Ldi/dt = 19                           (6)

i = 19t/L                             (7)

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

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

T时间后，Vout再回到5 - dV，Q1开始截止。此时L的电流为

I = 2(3)                              (9)

正好是负载电流的两倍。

现在考虑正反馈环节。Q1导通正反馈把LM317的输出电压推高0.12伏(是Vin-
Vout的函数，这个差值越大正反馈越深)。这不仅加速了Q1饱和，也使充完电的
L的电流大于负载电流的两倍。这保证，L放完电，Q1还处在截止状态。解如下方
程

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

求出L的最大电流 I = 6.12A

Q1截止正反馈把LM317的输出电压拉低0.03伏(是Vout的函数，Vout越大正反馈
越深)。这不仅加速了Q1截止，也使L的放电完毕后，有一定的时间延迟才再使Q1
导通。

现在谈谈功率管发热，没有截止，只在饱和与线性之间切换的可能的原因。

如果功率管不能在饱和状态提供6.12A的电流。功率管不能从饱和直接过渡到截止。
假设功率管只能在饱和状态提供5.8A的电流，那么，L的电流升到5.8A时，电感
L的感生电压开始下降，滑到线性放大区。感生电压下降后，正反馈深度变小，推
迟了功率管截止。就算能让功率管截止，但不满足(5)的话，电感L电流还没有放
完，负载就从C4吸取电流，使C4电压降低。这样功率管又很快导通。由于电感L中
还有电流，电感上的电流变化率就会较小，电感L的感生电压不会太高，这样相当
一部分电压落在功率管上。注入电感能量的功率是Ldi/dt*i。从能量角度分析是，
如果电感L残留电流是Ir，这次导通传递的功是 0.5LI^2-0.5LIr^2比 0.5LI^2
小。也就是说，功率管的功耗变大。

在如果功率管不能在饱和状态提供足够的电流，Vin-Vout越大，功率管的热耗越
大。

所以我认为，功率管提供的饱和电流不够可能是功率管发热的根本原因。