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电源设计如何纠正能量损耗和温度引起的两类误差?

2021-04-14 13:28:54 Power Electronics News编辑部 阅读:
电池、变压器、电源和转换器会不断受到能量损耗影响,而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,可以在任何负载下使输出电压稳定。

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。A0pednc

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:A0pednc

  • 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。

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图1:典型的稳压器。A0pednc

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:A0pednc

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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:A0pednc

  • 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。A0pednc

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:A0pednc

  • 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。

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图2:带误差放大功能的调节器。A0pednc

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VBEA0pednc

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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:A0pednc

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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。A0pednc

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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:A0pednc

  • 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。

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图3:输出电压与工作温度的关系曲线。A0pednc

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。A0pednc

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图4:经过纠错的稳压器电路PCB的示例图。A0pednc

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。A0pednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站Power Electronics News,原文参考链接:Power Supply Design Notes: Correcting errors in power systems。杂志原标题:《设计电源时应注意纠正系统中的误差》。由赵明灿编译、)A0pednc

本文为《电子技术设计》2021年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里A0pednc

(责编:赵明灿)A0pednc

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