电源设计改进稳定度和误差放大器的解决方案

作者：powerelectronicsnews

电池，变压器，电源和转换器会不断受到能量损失的影响。结果，负载上的输出电压会降低。温度是性能的另一个关键特征。通过创建误差放大系统，可以在任何类型的负载下稳定输出电压。

稳压二极管稳定器

使用功率晶体管以及电流放大器的功能，您可以创建和构建稳定器电路，以提供高工作电流，保持输出电压相当恒定，并且齐纳二极管上的电流很小。图1所示的电路是稳定理论的一个例子，也可以用于非常高的功率。不幸的是，效率并不是最好的，因为晶体管会散发大量热量来执行其降低电压的功能。该电路的特征在于以下参数和组件：

来自汽车电池的12 V输入电压，其内部电阻约为0.07欧姆，目的是使其行为更接近真实元件；

• 所需的7.5 V输出电压，以该电压为电源灯，立体声系统或其他负载供电；
• 使用的功率晶体管是经典的2N3055，如果汲取的电流超过一定水平，则必须配备足够的铝耗散器；
• 使用的齐纳二极管为8.2V。由于晶体管的BE结引起大约0.7 V的降低，因此在输出端获得的电压略低；
• 电路负载的阻抗为100欧姆，但可以毫无问题地升高或降低。
• 电解电容器具有进一步提高稳定性的功能，使输出信号更清洁。

图1：典型的稳定器

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和发射极之间的电压降（通常等于0.7 V），这会使它降低某个值。因此，电路的输出电压等于：



流过晶体管基极的电流显然取决于流过负载的电流除以组件本身的“ beta”。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（IZ）上的电流变化减少了“β”倍。如果输出电压必须与齐纳二极管的电压相对应，则可以插入一个与齐纳二极管串联的硅二极管，以消除Vbe。这样，硅二极管的压降补偿了晶体管的压降。如前所述，效率不是电路的优势。当输入电压接近输出电压时，它会增加。巨大的差异会导致大量功率消耗在未使用的热量中。

V（in）：11.993 V（由于电池的内阻导致电压降很小）；
V（输出）：7.8 V;
I（batt）：90.98 mA；
I（负载）：78.05 mA;
I（齐纳）：12.93 mA；
P（batt）：1.09 W；
P（负载）：609.20 mW。

因此效率非常低，约为55.89％。降低电压时，晶体管耗散的功率等于322.6 mW，该值太高。请记住，对于这种类型的应用程序，建议使用新的开关转换技术。

改进的稳定度和误差放大器

提到的稳定器具有非常简单的优点，并且由很少的组件组成，但是它具有一定的不稳定性，并且由于齐纳电压会阻止输出电压的变化，因此无法改变它。要解决该问题，可以使用提供额外的晶体管和一些电位计的解决方案。新的Q3晶体管用作DC误差放大器，作用于Q2晶体管的导通。因此，可以进一步改善输出电压的调节，使得输出负载，输入电压或温度的异常变化不会影响输出电压。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中的图显示了具有误差放大功能的输出稳压器的理论但功能齐全的电路。该电路的特征在于以下参数和组件：

V（in）：11.993 V（由于电池的内阻导致电压降很小）；
V（输出）：8 V;
I（batt）：87.83 mA；
I（负载）：80.08 mA;
I（齐纳）：7.09 mA。这次，齐纳二极管的值为4.7V。
P（batt）：1.05 W；
P（负载）：641.31 mW。

图2：通过误差放大的调节器图

Q2晶体管就像一个可变电阻一样工作，由Q3的电流驱动，该电流将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。该差被放大，并且由于电路的负反馈，输出电压足够。这样，将输出电压的一部分与参考电压VZ进行比较。两个电压之间的差作用在Q2晶体管上，该晶体管用作控制元件，以稳定Vout。根据以下公式，输出电压取决于分压器R5-R6，齐纳二极管的电阻值与Q3的VBE功率之比。



该解决方案还有助于略微提高电路效率，在所检查的情况下，该效率达到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。电阻的尺寸必须精确，并通过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，必须流过足够大的电流以确保其良好的热稳定性，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电阻。



让我们测量电压偏移随温度的变化

第二个电路极大地提高了稳定器的性能，使其几乎不受温度变化的影响。现在，让我们检查两个电路上的热效应，检查输出端的电压变化。图3显示了在上述条件下这两个电路的静态操作。模拟是在0°C到+ 50°C的温度范围内进行的。从两个图表可以看出，两个稳定器的输出电压相对于热条件是可变的。特别是，图中的测量显示了以下详细信息：

红色曲线代表在0°C至50°C的可变工作温度下负载为100 Ohm的第一个电路的输出。我们可以看到输出电压逐渐上升且呈线性增加，达到0°C。 7.61 V和7.96 V的50°C，最大总偏移为0.35V。

蓝色图表示在0°C至50°C的可变工作温度下负载为100 Ohm的第二个电路的输出。在0°C为8.08时，可以看到输出电压的逐渐线性下降V，在50°C下为7.94 V，最大总偏移为0.14V。因此，第二个电路对温度没有任何影响，受热变化的影响也小得多。

图3：输出电压与工作温度的关系图

可能的实现

设计人员可以创建一个真实的PCB来构建稳定器的实用原型，如图4所示。测量和比较电路各个点的电压，电流和功率值很有趣。

图4：经过纠错的稳定器电路PCB的示例

结论

重要的是要记住，温度会影响半导体的性能，并且VBE和VZ参数尤其会受到热变化的影响。VBE电压降低约2.5 mV /°C，而对于VZ，则必须区分齐纳二极管的类型。对于以VZ> 5 V为特征的模型，温度系数为正，并且温度的升高决定了差动电阻的升高。对于以VZ <5 V为特征的模型，温度系数为负，温度升高对应于差分电阻的降低。无论如何，如果您需要效率高于90％的转换系统，则必须考虑设计降压型开关系统。