一种基于PSPICE仿真的电源滤波电路设计

油谁－ｉｌ＿ｊ｝乌　篇　２０１７年第３卷　第３期　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＴＵＢＵＬＡＲ　ＧＯＯＤＳ＆ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ　・３ｌ・　・开发设计・　一种基于ＰＳＰＩＣＥ仿真的电源滤波电路设计　张全文，韩伟　０６５２０１）　（中海油田服务股份有限公司　河北　三河摘　要：为了实现工作稳定、超低噪声、耐高温的电源滤波电路，设计了一种基于达林顿三极管的滤波电路。详细分析了该电路　中三极管的静态工作点，并基于ＰＳＰＩＣＥ仿真对该电路进行了温度扫描分析、参数扫描分析、滤波分析等。实践表明，该电路具有较　好的电容倍增器的作用。从而实现了极好的电源滤波效果，达到了设计要求。　关键词：电容倍增器；静态工作点；滤波电路；温度扫描分析；参数扫描分析　中图法分类号：Ｐ６３１．４　３６　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９６—００７７（２０１７）０３—００３ｌ一０３　ＤＯＩ：１０．１９４５９／ｊ．ｃｎｋｉ．６１—１５００／ｔｅ．２０１７．０３．００７　Ｄｅｓｉｇｎ　０ｆ　Ａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳＰＩＣＥ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｑｕａｎｗｅｎ，ＨＡＮ　Ｗｅｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｏｉｉｅｆｌｌｄ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｎｇ　１０１　１４９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄａｒｌｉｎｇｔｏｎ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａ　ｓｔａｂｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｗｅｅｐ　ａｎｄ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｎｍｈｉｐｌｉｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ａｎ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ；ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ；ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｃａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｗｅｅｐ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０　引　言　电源前端滤波电路有很多种，如ＲＣ滤波电路、ＬＣ　电源滤波电路中进行滤波。由于该滤波电路在电路系统　中属于前级电路，要求具有较高的输入阻抗和较低的输　出阻抗。而三极管放大电路共有ｌ一个Ｔ作组态，分别为　共基级放大电路、共发射极放大电路、共集电极放大电　路（射极跟随器）。。　。其集电极放大电路符合这种　滤波电路、接电容值的电容来将降低纹波、三极管　滤波电路等。其中ＲＣ滤波电路往往会造成较大的压　降，实际电路并不实用；ＬＣ滤波电路的电感往往不能耐　较大电流，即使能承受电路中较大的电流，电感器的体　电路的输入和输出阻抗的设计要求。在图ｌ实线框所示　的电源滤波电路采用达林顿三极管为核心，南于交流通　路中的三极管的集电极可看做接地，故该三极管电路可　看做共集放大电路，同时该电路具有电容倍增器　的作　用，可以有效的对电源噪声进行滤波。　积也会很大；电路中接入大电容值的电路来降低纹波的　效果并不好。实际上使用ＲＣ滤波电路和三极管构成的　电容倍增器具有较好的滤波效果，该文对电路的设计进　行了详细的分析。电路既简单，在借助ＰＳＰＩＣＥ的仿真　技术，对电路进行了全面深入的分析后，进一步对该电　路有了清楚的认识，从而有助于电路设计能力的提高。　１　总体设计　如图１所示，交流电源经过变压器Ｔ．进行降幅后，　再经过整流桥Ｄ。进行整流，然后输入到实线框所示的　图ｌ　电路总体设计框图　第一作者简介：张全文，男，１９８２年生，工程师，２００９年毕业于电子科技大学（成都）测试计量技术及仪器专业，获得硕士学位，现从事石油　电法仪器设计与维修工作。Ｅ・ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｑｗ７＠ｃｏａ１．ｃｏｍ．ｃａ　・３２・　曲谁村岛仪篇　２０１７年６月　２静态工作点分析　在三极管放大电路中，输入信号一般是交流量与直　流量共存的。三极管的静态工作点就是交流输入信号　为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值　可用于三极管特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯　上称为静态工作点　ｊ。三极管有ｊ个工作状态：放大状　态、饱和状态、截止状态。其中对于ＮＰＮ三极管放大状　态的条件是发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏　置，即Ｕ　＞０，Ｕ　＜０（对于ＰＮＰ三极管的条件正好相　反）；饱和状态的条件是发射结和集电结均处于正向偏　置；截止状态的条件是发射结和集电结均处于反向偏　具有４２　ｄＢ的衰减滤波作用，可见该电路具有稳定的高　温滤波效果　。　０　０１　０　１　ｌ　０　ＩＩ】　ｌＩ　Ｍｌ　Ｉ（ＸＸ）　１｝甄，杠　Ｉｚ　图２　多种温度下的幅频特性曲线　置。只有设置合适的静态工作点，才能使三极管工作为　放大状态。在图１所示的电路中，由于在集电极与基极　４参数扫描分析　参数扫描分析是由用户指定一个参数的变化范同　和变化方式，ＰＳＰＩＣＥ软件对指定的每个参数变化值，均　执行一次指定的电路分析。但是在参数扫描分析中，可　变化的参数从温度一种扩展为的电压源、的电　流源、温度、模型参数和全局参数共５种，并且还可以设　串接了一个电阻，由于电阻的压降必然使得Ｕ　＜０；当输　入电压远大于三极管发射结的导通电压时，必然使得　＞０，即图１的电路设置，使得该电路的三极管处于放大　状态。但是三极管的放大能力毕竟是有限的，不可能无　限放大，当二三极管的发射极负载很小时，发射极输出电　流增大，　就会减小，当Ｕ　＜Ｕ　时，三极管的集电极电　流，　，就不随，　的变化而变化，　极管就进入了饱和　状态　。　置参数的变化方式，而不像温度分析那样只能指定几个　具体温度值。显然，温度分析的任务也可以通过参数扫　描分析来完成　。　如图１所示，设计要求整流桥的直流输出电压为　将图１中的电阻　．的阻值设置为参数，并将电阻　尺．的阻值设置为２０　Ｑ、２００　Ｑ、２　ｋｎ、２０　ｋｎ。进行参数　扫描分析后，得到的幅频特性曲线图如图３所示。南图　可知，电阻尺．的值越大，电路的滤波效果越好，但是要考　虑输｝｝｛电流等问题，该文选自电阻Ｒ　的值为２　ｋ。同理，　也可以对电路中的其他电阻、电容器件进行参数扫描分　析，从而实现对电路的优化。　・　ｊ　舶０…一　・：　・：　ｍ…一　…～…　…２００１　矗　ｍ…　～　＼ｌ４　Ｖ，纹波电压峰值为２　Ｖ，三极管的输出电压Ｕ　＝８　Ｖ，　（ｏｎ）＝１．４　Ｖ，要求，　＝１　Ａ，而三极管的１３系数为　７６９，根据，　＝（１＋Ｂ），ｂ，可得，ｂ：１．３　ｍＡ，再根据Ｕ　＝，ｂ　×Ｒ　＋　（Ｏ１３＿）＋　，并取　的最小值ｌ２　Ｖ进行计算，　可知Ｒ．：２　ｋ，此时Ｕ　＝Ｕ　一Ｕ　：４　Ｖ＞Ｕｂ　（ｏｎ）。即当　直流输入电压大于ｌ２　Ｖ，输出电流小于ｌ　Ａ，电阻Ｒ．为　２　ｋ时，该电路可以工作为正常的放大状态。另外，由于　该电路用于电源滤波，要消除的是交流信号，要放大的　是直流电流，因此不需要通过设计　．，使得静态工作点　的　的电压为电源电压的一半。　、　＿　、　．　・　…　一　…・　…＼　～、：　＼、　、　３温度扫描分析　＼　、　ｌ＼　电阻等元件的参数值以及晶体管的许多模型参数　值与温度的关系非常密切。如果改变温度，则必然通过　这些元器件参数值的变化导致电路特性的变化。　ＰＳＰＩＣＥ中的各个元器件模型都考虑了模型参数与温度　的关系。利用ＰＳＰＩＣＥ的温度扫描分析功能，考察了电　路的７０ｏＣ，１００℃，１３０ｏＣ，１５０￣Ｃ，１７５ｏＣ的频率特性。如图　辫ｌ水门Ｉｚ　＼　＿＼　＾　图３参数扫描后的幅频特性曲线　５　滤波分析　该文设计的滤波电路主要由图４的图（ａ）部分的　２所示，该电路在上述温度下工作，即使电路工作在　１７５ｏＣ的高温条件下，电路也可以对ｌ０　Ｈｚ以上的频率都　尺　、Ｃ。和达林顿三极管ＴＩＰ．　构成。　２０１７年第３卷　第３期　张全文等：一种基于ＰＳＰＩＣＥ仿真的电源滤波电路设计　６结论　该设计的电源滤波电路具有电容倍增器的作用，单　路中虽然使用了较小大电容值（１　０００　），但是实际电　ｒ　路中具有远大于该电容值的效果，并且在高温条件下也　具有较好的电源滤波效果。如图６所示的滤波前后的波　形图，由该图可知，滤波前的纹波峰峰值约为１．５　Ｖ，滤　图４滤波简化示意图　波后的纹波峰峰值约为２０　ｍＶ。　由前文分析可知，该电路的三极管处于放大状态。　由图４可知，Ｕｃ　＝，　×Ｒ１＋　，ｌｅ＝ｌｂ＋，ｒ＝，６＋　ｘ，　：　（１＋　）×，　。将图４（ａ）部分可以等效为图（ｂ）电路，则　＝，　×Ｒ　由于达林顿三极管的导通电压　约为　１．４　Ｖ，同时电路设计要求　的最大压降为２．８　Ｖ，则　＝，６×Ｒｌ＋Ｕ　＝２×Ｉｂ×Ｒｌ＝，　×Ｒ　＝（１＋　）×ｌｂ，Ｒ　：　２×Ｒ。／（１＋　）。滤波器的滤波性能一般用　与Ｃ的乘　积来衡量，所以有Ｒｌ×Ｃｌ＝Ｒ　×Ｃｌ　：２×Ｃ１　×Ｒ１／（１＋　ｐ），Ｃ。　＝（１＋卢）×Ｃ。／２。由该式可知，滤波器的电容Ｃ　要比一般ＲＣ滤波器所需电容少（１＋口）／２倍。通过较　小的Ｒ　电阻，实现了电路较小的压降，同时通过倍增的　电容ｃ。　，保持尺与Ｃ较高乘积值来实现极大滤波效果。　如图５所示的幅频特性图，可以看出该滤波电路对ｌ　Ｈｚ　图６滤波前后对比图　由此可见，该文设计的电路具有较好电源滤波作　用，实现了电容倍增器的作用。　参考文献　［１］晏勇，罗治刚．晶体三极管电路设计与探讨［Ｊ］．电子测　试，２００５，（９）：４７—４９．　以上的交流信号都具有２２　ｄＢ以上的衰减，可见该滤波　电路具有极好的滤波效果。　［２］铃木雅臣著，周南生译．晶体管电路设计（上）［Ｍ］．北京：　科学出版社，２００４：１２０—１２５．　［３］华成英，童诗白．模拟电子技术基础（第四版）［Ｍ］．北京：　高等教育出版社，２００６：９０—９１．　［４］陈洪斌．稳定静态工作点的必要性及方法［Ｊ］．吉林省教　育学院学报．２００６，２２（６）：７２—７３．　［５］贾新章，游海龙．电子线路ＣＡＤ与优化设计［Ｍ］．北京：电　子工业出版社，２０１４：１０１—１０６．　图５　幅频特性特性曲线图　（收稿日期：２０１６—０５—２７　编辑：韩德林）　（上接第３０页）　［Ｊ］．辽宁化＿Ｔ，２０１５，４４（５）：５３９—５４０．　朱金智，杨向同，等．某含气高压油井生产套管柱　３）井深一定时，格复合管柱上部套管抗拉安全　［２］滕学清，系数随上部套管长度的增加而下降，下部套管抗内压安　全系数随上部套管长度的增加而增加。　４）满足抗拉和抗内压要求的套管柱为ｑ￣２０６．３８　ｍｍ　×１５．８　ｍｍ　ＣＩ１０与ｑｂ２００．０３　ｍｍ×１４．２　ｍｍ　Ｃ１１０组合的　格复合套管柱。　参考文献　［１］董小卫，周新义，许轲，等．深井及超深井套管选用探讨　没计研究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１６，４５（Ｉ１）：２８—３３．　［３］陈琳琳，刘永贵．大庆油田古龙１井套管柱设计方法分析　及优选［Ｊ］．探矿工程，２００９，３６（７）：ｌ３—１６．　［４］杨龙，林凯，韩勇，等．深井、超深井套管特性分析　［Ｊ］．石油钻采工艺，２００３，２５（２）：３２—３５．　［５］国家发展和改革委员会．ＳＹ／Ｔ　５７４２—２００８套管柱结构与　强度设计［ｓ］．北京：中国石油工业出版社，２００８．　（收稿日期：２０１６—０８—０２　编辑：马小芳）