一个大学生和工程师关于稳压电路的对话

只看该作者 · 2024-10-27 13:48

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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！

一个大学生和工程师关于稳压电路的对话

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