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问一个工程师,电路中需要使用直流20V降压到12V,负载最大为0.2A的应用场景,大部分人下意识的会选择7812之类的线性稳压器。剩下来的工作,就是查找规格书,看以下芯片的封装,芯片的PSRR之类的参数是否满足项目需求。对于工程师而言,貌似也没有做多少设计工作,只是做了一个器件选型的事情。好像大学中学到模电知识也没有在实际工作中得到应用。但是问一个刚学《模拟电子技术基础》这门课的大二学生,他们应该不知道线性稳压器,LDO之类芯片的使用原理。但是不代表部门不能给出一个稳压电路。
大学生学完《模拟电子技术基础》前两章,二极管三极管的功能基本学完了。对于直流20V降压到12V的电路,使用稳压管就可以实现。下图的输出电压Vout1=V1-Iout*R1。为方便分析,忽略流过稳压管D1的电流。输入电压,输出电压,负载电流都知道了。所以R1的参数就很好知道。
大学生心里就想:电路参数一下子就确定了,电路也不过如此吗。
工程师看这个图,乱弹琴,这个电路根本没有工程应用价值。实际产品中根本没有负载恒定的时候,都是动态变化。一旦负载电流稍微发生变化,输出电压就变化。而且R1的功耗高,发热严重。
大学生看完心里委屈,题目又没告诉我,负载电流还会变化。那现在变化了。我再重新设计。
工程师就新增了限定条件,负载电流0.2A±0.1A变化,输出电压肯定也做不到恒定不变,参数就要求简单点。输出电压12V±1V;
看到这个参数,大学生也傻了,这么多变量,怎么办啊。就找学习委员讨论。学习委员刚好把三极管的知识消化差不多了。既然R1要消耗多余的压降,那么三极管的放大区的阻抗是可以动态变化的,在输出电压波动的时候,只要调整Ib的电流大小,那么Ic就会变化。此时三极管的集电极和发射极压降VCE也会发生变化。利用VCE的变化来抵消输出电压的波动。那就可以保持输出电压的稳定了。课本的射极跟随器电路就就是这种场合应用。
随后学习委员自信的给出设计电路,输出电压等于VD1-Ib*R2-VBE。负载电流0.2A±0.1A变化。输出电压的纹波在0.2V以内,比工程师要求的精度海更高。并且学习委员自信的说:我查了资料的,工程上要求,输出电压的纹波一般要求是3%*Vout。我这个电路是满足要求的。还增加了C1,组成RC低通滤波器来消除干扰噪声。
工程师一看,不错哟。这电路是有实用价值。稳压管接到三极管的基极用来调节集电极电流。当输出电压变大。但稳压管的电压不变,那么三极管的基极电流就会变小:Ib=VD1-Vout-VBE/R2。集电极电流会变小,VCE就会增大,随后输出电压Vout变小:Vout=V1-VCE。这个电路具有一定的负反馈调节作用。
学习委员一看,啥负反馈,我不知道。这个电路满足要求就行了。
工程师说等你下学期上课就知道了,到时候你可以考虑,如果输出电压纹波要求在20mV,应该如何设计。毕竟大部分LDO的输出纹波很小,可不是你这个电路的170mV。
学习委员也是个急性子,还要等下学期啊,那你等等,我去查一下资料,看啥叫负反馈的。通宵研究了两天,马上拿出一个新电路,这个是负反馈。可以实现更高精度的输出电压。
学习委员得意的说,这个电路输出纹波是6mV,是远远的满足要求吧。我查了下负反馈的知识,关键是要及时把输出电压信号反馈到输入环路,做动态调节。我之前的那个电路尽管也是负反馈,但是输出电压的变化反馈的太慢了,造成输出电压纹波大。那我这次就将输出电压的变化直接反馈到输入回路上面,只要输出电压一变化,三极管Q2的基极就直接变化,这种好像是叫电压反馈。随后Q2的Ib发生变化,Ic变化,Q1的Ib也就跟着变化,Q1的VCE变化,最终快速调整输出电压。从而降低输出电压的纹波。Vout1=(VD1-VBE)*(R3+R4)/R3;
工程师一看这电路,这分析。倒吸一口气,小伙子可以啊。这也被你整出来了。而且输出电压纹波很小,这要再加一些高频滤波电容,消除一下噪声。如果是大电流的应用场景,只需要将Q1更换程达林顿结构,这电路就可以直接应用的。
学习委员说,这也是你提示的好,要不然我也没思路。
工程师说,实际等你下学期学完运放,用运放的负反馈,这个纹波的参数还可以提高。你这个电路输出电压的精度受到稳压管的制约,稳压管在高低温的时候,稳压电压会变化,这在工程应用中不得不考虑的。既然你是个急性子,那运放组成的稳压电路,我提前和你说一下的。
这种由运放组成的稳压电路,利用运放的虚短虚断原理,输出电压Vout=V1*R2/(R2+R1),反馈速度快,输出精度高,纹波电压小,才5.8mV。其中的R6和C1是环路补偿参数,对于负反馈电路的稳定性至关重要,在你们的自控课程中会得到学习。
至此常规的线性稳压电路,我们都讨论了,在实际工作中,由于芯片技术的飞速发展,这些分立件电路很少会直接应用,产品中会直接使用芯片,开发时间短,而且性能还高。
这种线性稳压器,一个芯片,两个电容,就完成电路的设计。输出电压稳定,纹波还小,只有4.6mV。
大学生看到这种电路很疑惑,既然电路设计这么简单,那么还由必要学习那么多模电知识吗,到时候需要用电路,似乎电子工程师也不需要做什么,直接找芯片供应商说出需求,照着芯片手册参考就行了。
工程师着急的说,如果是这种想法,就大错特错,电路看起来简单,那是因为芯片已经封装好了,下图的LDO内部,比我们之前讨论的任何电路都要复杂。芯片工程师设计电路过程需要更多模电知识,要考虑更多设计冗余和环境因素。
电子工程师尽管不需要了解太多的芯片内部结构。但在应用的电路中,只有理解了芯片内部的基本工作原理,用起来才能得心应手,芯片出了问题,就可以对症下药的分析,到底是芯片内政部带隙基准电压出问题了,还是功率三极管三极管坏了,仰或是反馈电阻损坏。然后识别是电路板的外围环境导致芯片损坏,还是芯片自身质量问题。
说了这么多,我们简单讨论了课本学习和工程应用的区别,学习中的任何知识都能在工程中得到应用,学习的越多,选择的方案才更多。
学习委员听后,默默的收起得意的心思,投入更加紧张而活泼的学习中!
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以对话方式展开讨论,引出学生和工程师两个视角下对稳压电路设计问题的探讨,理论和实际问题的碰撞由此展开,新颖的视角,解读问题,很不错