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2021年01月28日 | 如何使AB类输出更安全

2021-01-28 来源：EEWorld

广泛应用的AB类放大器push-pull电路如图1，但是现在有了一些改进。

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图1 AB类放大器电路有一些改进

首先，我们来看看它的热补偿是如何工作的。Q1和Q2表示输出晶体管的捷径，因为通常这些输出器件是达林顿或互补对。Q1和Q2的偏置电压与齐纳（D1）电压和Q4和Q5晶体管的Vbe压降相加，后者与温度有关。通常Q4和Q5与晶体管Q1和Q2位于同一散热片上。

通常Vbe（在我们的上下文中是Uk）的值约为0.8V（如果使用达林顿配置，则为1.8-2.5V）。

通过晶体管Q1和Q2的静态电流为：

i1 = i2 = ((Vz +n*U4)*R3 / (2*(R1+R3)) – U1) / R5

其中n是补偿链中晶体管的数量（图1中的2个晶体管Q4和Q5）和Uk，其中k=1,2,3,4是晶体管Qk的Vbe。

设 K = R1/R3, 则:

i1 = i2 = ((Vz +n*U4) / (2*(K+1)) – U1) / R5

取导数：

di1/dT = ( n / (2*(K+1)) * dU4/dT – dU1/dT) / R5

其中导数dUk/dT表示晶体管Qk的Vbe的热依赖性，k=1,2,3,4。

因此，例如，如果晶体管U1和U4的热依赖性接近，则最佳条件如下：

K=n/2–1，这明显是或多或少的，但我们必须得出它。

通过串联更多的晶体管可以增加补偿：使用两个串联的晶体管Q4和Q5，而不是只使用一个。所以电压变化可以加倍。当晶体管Q1和Q2不共用一个散热器时，这也会有所帮助。然后，将Q4（Q5）与Q1（Q2）放置在同一个散热器上以控制温度。

在这种设计中，齐纳二极管比电阻的优点是热反馈的衰减更低，因此可以实现更精确的补偿。TL431优于普通齐纳二极管，因为TL431具有更低的动态电阻和更低的工作电流。

所有这些类型的热补偿都有相同的缺点：由于热传感器（在我们的例子中是Q4、Q5）需要放置在输出晶体管的散热器上（即远程放置，而不是放置在公共PCB上），一些连接布线（带或不带插座）几乎是不可避免的（注意图1中Q4和Q5的布线）。

如果热传感器的链（在我们的例子中，该链是D1、Q4、Q5）由于插座中的接触不良或仅仅是导线中的断裂而断裂，这将不可避免地在晶体管Q1和Q2中产生大而不可控的通电。这些晶体管会被电流破坏，相应的热失控也会发生。

高质量互补功率晶体管Q4/Q5，可能相当昂贵，但濒危负载可能更昂贵！

此外，这种电路可以包括一个电位器来调节静态电流，这使得这种电路容易受到电位器质量的影响。应该采取措施防止这种灾难。

图2中的电路可以解决所有这些问题。它保护昂贵的输出晶体管和负载不受大的不可控电流的影响。

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图2该电路保护昂贵的输出晶体管和负载免受不可控的大电流影响。

以下是保护工作原理：晶体管Q3控制链D1、Q4、Q5的完整性。如果该链是开放的，Q3的栅极上的电压就会升高，从而使Q1和Q2的基极偏置几乎为零。如果完整性被破坏，这确保了非常低的静态电流i1和i2。

为了计算元件，让我们考虑Q3的最大栅极阈值电压，该FET为开（关）；我们将该值指定为Vgso：

Vgso=0.8V（适用于BS170和BSS138）

在正常工作期间，当链D1、Q4、Q5没有断开时，晶体管Q3断开（关闭），点A和点B之间的电压由链D1、Q4、Q5决定：

Vab=Vz+n*U4，其中，如上所述，U4代表Q4的Vbe。

如果出现以下情况，则为真：

i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) > Vz + n * U4

通过R1、R2、R3、R4的电流为：

i14 = Vab / (R1+ R2 + R3 + R4)

假设我们确实知道电流i0，它的值不仅可以由上面的不等式决定，而且还可以知道输出功率、输出晶体管Q1/Q2的增益、频率范围和电路的寄生电容。

现在，差值i0–i14不应小于齐纳二极管的最小容许电流：

i0–i14>=Izmin（该值可在数据表中找到，对于TL431为1 mA）

那么，对于R2：

R2 <= (n * U4 – Vgso / 2) / (i0 – Izmin)

为了确保晶体管是开（关）的，我们只取一半Vgso：

i14*R2+Vgso/2<=n*U4 R3（R4）的值以及热反馈链（Q4、Q5、D1）应为Q1（Q2）提供必要的偏差：R3=R4>=（U1+i1*R5）/i14

现在让我们研究当链D1，Q4，Q5断裂时会发生什么。

当Q3关闭（on）时，我们指定Vgsc为Vgs的最小值。

那么，我们对Vz来说：

i0 * (R1 + R3 + R4) – Vz > Vgsc

所以我们对Vz有：

Vz < min((i0 * (R1 + R3 + R4) – Vgsc), (i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) – n * U4 ))

图2中的电路使用绿色LED代替齐纳二极管。这种电路的优点是：

1.LED指示链D1、Q4、Q5的完整性。

2.通过LED的电流可能远小于通过齐纳或TL431的电流。

这里使用绿色LED是因为它具有最合适的压降（约2.2V）。注：下降取决于制造技术，某些类型的绿色LED可能超过3V，因此请注意。

在R7、R8链的帮助下，我们可以控制通过电流i1（i2）。该链也将有助于一个坏的LED的情况下，限制a和B之间的电压和通过电流i1（i2）。

电容器C1确保在电路通电期间通过晶体管Q1和Q2的静态电流为零。它还消除了基于Q1和Q2的交流差异，消除了可能的失真源。

注：电阻对R1和R2、R3和R4具有相同的值。这种对称性降低了输出级的总谐波失真（THD）。

AB类输出

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