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一种新型简单连续可调稳压电路的特性及改进研究

2021-3-21 07:55

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一种新型简单连续可调稳压电路的特性及改进研究

周铁戈

摘要：作者研究了一种新型集电极输出型连续可调稳压电路，电路利用三极管的V_be（基极和发射极之间的电压）作为基准电压，实现稳压。采用Orcad Pspice对电路进行了仿真计算，给出了稳压系数、输出电阻等特性参数。相对于经典稳压电路，该电路的优点是稳压系数高、效率高、工作电流大。在改进的电路中增加了保护元件和温度补偿元件，进一步提高了电路性能。

0、前言

稳压电路是电路系统中不可缺少的部分，本文深入系统研究了一种新型的集电极输出连续可调稳压电路，并对其进行了改进。本文将对电路和研究方法进行介绍。

1、基本电路

图1给出的是作者研究的稳压电源电路，V1为输入电源，电压设定为15V。输出电压为9V(其实是连续可调的，在特性研究中输出电压都设定为9V)，负载电阻R4为9Ω。R1为Q2提供偏置电流，R2和R3实现分压，改变比值可以改变输出电压的大小。Q1、Q2和Q3形成负反馈，当输出电压增加时→Q3的V_be增加→Q3集电极电流增加→Q2的基极电流减小→Q2集电极电流减小→Q1的基极电流减小→Q1的集电极电流减小→输出电压降低，这样通过负反馈实现了稳压功能。

fig1 simple.png

图1 简单的新型稳压电源电路

可以看出这个电路的非常简单，仅包含3个三极管（Q2和Q3要求硅材料）和3个电阻。输出电压V_out=V_be*(1+R2/R3)，V_be=0.8V是Q3的基极和发射极之间的电压。调整R2的大小就可以连续调整输出电压。作者采用Orcad Pspice对这个简单稳压电路的特性进行较为系统的研究。

采用pspice软件的直流扫描方法（见图2）计算输出电压（R4两端电压）随输入电压的变化，负载电阻为9Ω。图3给出的是输出电压V_out随输入电压Vin（即电路中的V1）变化曲线。可以看出电路能够实现稳压功能，而且在曲线转折位置处，输入电压为9V时，输出电压为8.82V，Q1上的压降小于0.2V，所以在输出电压一定时，电路可以降低最低输入电压的要求，提高效率。

fig2 DC Sweep.png

图2 DC Sweep方法

fig3 curve simple.png

图3 简单新型稳压电路输出电压随输入电压的变化曲线

a、稳压系数

稳压系数是指负载电阻固定不变的情况下，输出电压的相对变化除以输入电压的相对变化

gongshi 1.png

在pspice中，可以采用两种方法计算稳压系数，一种是利用直流扫描得到的输出电压随输入电压变化的曲线（图3），当输入电压为14V时，输出电压为8.9920V；当输入电压为16V时，输出电压为9.0426V，所以稳压系数为

gongshi 2.png

另一种方法是采用Bias Point（图4），选择计算小信号直流增益，计算后可以查看输出文件，得到输出电压和输入电压的比值V(N00678)/V_V1 = 2.524E-02，则稳压系数为15/9*2.524E-02=0.042，两种方法计算结果一致。

fig4 bias points.png

图4 Bias Point方法（选择计算小信号直流增益）

b、输出电阻

输出电阻定义为输入电压不变时输出电压的变化除以输出电流的变化的相反数

gongshi 3.png

也有两种方法计算输出电阻，一种是改变负载电阻从而改变输出电流。输入电压固定为15V，输出电流为1A时，输出电压为9.0181V；输出电流0.5A时，输出电压为9.0248V。所以输出电阻为 (9.0248V-9.0181V)/(1A-0.5A)=0.013Ω。

另一种方法还是采用图4 偏置点计算方法，在输出文件中，可以直接找到输出电阻，OUTPUT RESISTANCE AT V(N00678) = 1.327E-02 Ω。两种计算方法的结果也是一直的。

c、温度系数

计算温度系数可以采用DC Sweep加上Temperature的方式进行，见图5。

fig5 temperature.png

图5 温度系数的计算

输入电压15V，输出电压9V，负载电阻R4为9Ω。30°C时输出电压为8.9748V，60°C时输出电压为8.5379V。所以输出电压的温度系数为(8.5379V-8.9748V)/(60℃-30℃)=-0.0146V/℃。负温度系数的出现是因为温度增加时V_be会降低。

为了进行对比，作者对于图6所示的经典稳压电路进行了同样的研究，输入15V，输出电压9V，负载电阻9Ω，负载电流1A。相对于上面的电路，这个电路元件更多，更为复杂。

fig6 jingdian.png

图6 经典发射极输出稳压电路

图7给出了负载电阻为9Ω时，输出电压随输入电压变化的曲线。可以看出在曲线转折位置处，输出电压约10.7V，而输出电压为8.6V，Q1上的压降约2V，远远大于作者研究的简单新型稳压电路，说明压降损耗较大。采用同样的方法可以得到其它参数如下：

fig7 curve jingdian.png

图7 输出电压随输入电压的变化曲线

a、稳压系数，0.086。

b、输出电阻，0.0076Ω。

c、温度系数，-0.0094V/°C。

表1给出两种稳压电路性能对比，可以看出新电路在稳压系数和最低压降方面更好，输出电阻和温度系数方面则不如经典电路。考虑到经典电路元件更多，那么新电路具有明显的优势。

表1两种稳压电路性能对比

2、电路的改进

为了进一步提升性能，图5给出了改进后的新型电路，改进主要包含一下几点。（1）原电路中的Q2换为复合管，这样可以提高放大能力，提升电路性能。另外由于采用符合管，Q4的集电极和发射极的电压提高到1.6V，工作于放大区，而未改进的电路中的Q3工作在临界饱和区。（2）增加了稳压二极管D1，稳压值为7.43V，稳压之后为Q3提供偏置电流，这样能大大降低输入电压变化影响，提高稳压性能，改善稳压系数。（4）增加了电阻R3，可以限制Q1的最大电流，实现保护作用。（5）电阻R4采用正温度系数的电阻，以实现温度补偿。

fig8 gaijin.png