电源设计如何纠正能量损耗和温度引起的两类误差？

电池、变压器、电源和转换器会不断受到能量损耗的影响，以至于使负载上的输出电压降低。温度则是性能的另一个关键特征。通过设计误差放大系统，可以在任何类型的负载下使输出电压稳定。

齐纳二极管稳压器

使用功率晶体管以及电流放大器的功能，可以设计和搭建提供大工作电流的稳压器电路，从而使输出电压保持相当恒定并使齐纳二极管上的电流保持非常低。图1所示的电路是稳压理论的一个例子，也可以将它用于非常高的功率。不幸的是，其效率并不是最好的，因为晶体管在执行其降压功能时会散发大量热量。该电路由以下参数和元器件所表征：

  • 12V输入电压，来自汽车电池，其内阻约为0.07Ω，以便使其行为更接近真实器件；

  • 所需的7.5V输出电压，可用于为大功率电灯、立体声系统或其他负载供电；

  • 所用的功率晶体管是经典的2N3055，如果消耗的电流超过一定水平，则必须为其配备适当的铝散热器；

  • 所用的齐纳二极管为8.2V。由于晶体管的BE结会产生约0.7V压降，因此在输出端获得的电压会稍低；

  • 电路负载的阻抗为100Ω，但可以将其升高或降低而不引起问题；

  • 电解电容可用来进一步提高稳压性的性能，从而使输出信号更干净。

图1：典型的稳压器。

电路的输出电压不再与齐纳二极管的电压相对应，但是还必须考虑基极与发射极之间的电压降（通常等于0.7V），这会使其降低一定数值。因此，电路的输出电压等于：

显然，流过晶体管基极的电流取决于流过负载的电流除以器件本身的“β”值。因此，这个电流很小。电路的稳定性非常好，输出电压也很稳定。实际上，齐纳二极管上的电流变化（IZ）减少了“β”倍。如果要使输出电压与齐纳二极管的电压相对应，则可以对齐纳二极管串联一个硅二极管，从而消除Vbe。这样，硅二极管的电压降就可以补偿晶体管的电压降。如前所述，效率不是该电路的优势。当输入电压接近输出电压时，它会增加。巨大的差值会使得大量功率以未使用热量的形式消耗掉。下面检查一下电路的静态值，以便计算其工作效率：

  • V(in)：11.993V（由于电池内阻，会产生一个小电压降）；

  • V(out)：7.8V；

  • I(batt)：90.98mA；

  • I(load)：78.05mA；

  • I(Zener)：12.93mA；

  • P(batt)：1.09W；

  • P(load)：609.20mW。

因此，其效率非常低，约为55.89%。降低电压后，晶体管耗散的功率等于322.6mW，这个值太高。因此，对于这种类型的应用，建议使用新型开关转换技术。

改进的稳定性和误差放大器

上述稳压器的优点是非常简单并且所需元器件少，但其具有一定的不稳定度，并且由于齐纳电压的限制，输出电压不可以改变。要解决这个问题，可以使用带附加晶体管和电位计的解决方案。新的Q3晶体管用作DC误差放大器，对Q2晶体管的导通起作用。因此就可进一步改善输出电压的调节，从而使输出负载、输入电压或温度的异常变化不对输出电压造成影响。为了获得更好的稳定性，可以实现负反馈电路，以便自动调整工作值的任何变化。图2中给出了带误差放大功能的输出稳压器的理论但功能齐全的电路。该电路由以下参数和元器件所表征：

  • V(in)：11.993V（由于电池内阻，会产生一个小电压降）；

  • V(out)：8V；

  • I(batt)：87.83mA；

  • I(load)：80.08mA；

  • I(Zener)：7.09mA——这次，齐纳二极管的值为4.7V；

  • P(batt)：1.05W；

  • P(load)：641.31mW。

图2：带误差放大功能的调节器。

Q2晶体管的工作情况就像个可变电阻一样，是由Q3的电流所驱动，后者用于对齐纳二极管的参考电压与分压器R5-R6的参考电压进行比较。该差值经过放大后，由于电路的负反馈作用而获得合适的输出电压。这个过程中将输出电压的一部分与参考电压VZ进行比较。两个电压之间的差值作用在Q2晶体管上，Q2用作控制元件而使Vout稳定。根据以下公式，输出电压取决于分压器R5-R6的电阻值之比、齐纳二极管以及Q3的VBE。

这种解决方案还有助于略微提高电路效率，经过检测，其电路效率可达61.07%。要确定R4电阻（为齐纳二极管供电的电阻）的值，可以使用以下公式：

分压器R5-R6的值非常关键。电阻的大小必须精确，然后要通过所连接的电位计或微调器进行精细调整。为了使分压器向Q3晶体管提供正确的电流，必须使其流过足够大的电流以确保良好的热稳定性，但又不能太大，以免使电路输出过载。以下公式可帮助计算两个分压器阻值。

测量电压偏移随温度的变化

第二个电路大大提高了稳压器的性能，而使其几乎不受温度变化的影响。现在来检查一下两个电路上的热效应，并检查一下输出端的电压变化。图3显示了在上述条件下两个电路的静态工作情况。此仿真是在0℃到+50℃的温度范围内进行的。从两条曲线可以看出，两个稳压器的输出电压会随热量条件而发生变化。特别是，图中的测量数据显示了以下详细信息：

  • 红色曲线表示在0℃到50℃之间的变化工作温度下负载为100Ω的第一个电路的输出。可以看到输出电压逐渐呈线性增加，在0℃时为7.61V，在50℃时为7.96V，最大总偏移量为0.35V。因此，第一个电路完全受温度的影响。

  • 蓝色曲线表示在0℃至50℃的变化工作温度下负载为100Ω的第二个电路的输出。在0℃时，可以看到输出电压逐渐呈线性下降。在80℃时为8.08 V，在7.94V时为0.14V，最大总偏移量为0.14V。因此，第二个电路完全不受温度影响，受热量变化的影响要小得多。

图3：输出电压与工作温度的关系曲线。

可能的实现

设计人员可以创建一个实际的PCB，构建稳压器的实用原型，如图4所示。在电路的各个点上测量和比较电压、电流和功率值非常有意思。

图4：经过纠错的稳压器电路PCB的示例图。

总结

需要记住，温度会影响半导体的性能，并且VBE和VZ两个参数特别受热量变化影响。VBE电压会以约2.5mV/℃下降，而对于VZ，则必须分清齐纳二极管的类型。对于VZ＞5V的型号，温度系数为正，因此温度的升高决定了差动电阻的升高。对于VZ＜5V的型号，温度系数为负，因此温度升高对应于差动电阻的降低。无论如何，如果需要效率高于90%的转换系统，则必须考虑设计降压型开关系统。

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