一种基于PSPICE仿真的电源滤波电路设计

张全文，韩 伟

(中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201)

·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

(中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201)

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。

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

0 引 言

电源前端滤波电路有很多种，如RC滤波电路、LC滤波电路、接入大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T1进行降幅后，再经过整流桥D1进行整流，然后输入到实线框所示的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三个工作组态，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)[1]。其中共集电极放大电路符合这种电路的输入和输出阻抗的设计要求。在图1实线框所示的电源滤波电路采用达林顿三极管为核心，由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[2]的作用，可以有效的对电源噪声进行滤波。

图1 电路总体设计框图

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[3]。三极管有三个工作状态：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Ube>0，Ubc<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串接了一个电阻，由于电阻的压降必然使得Ubc<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Ube>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，当三极管的发射极负载很小时，发射极输出电流增大，Uce就会减小，当Uce

如图1所示，设计要求整流桥的直流输出电压为14 V，纹波电压峰值为2 V，三极管的输出电压Ue=8 V，Ube(on)=1.4 V，要求Ie=1 A，而三极管的β系数为769，根据Ie=(1+β)Ib，可得Ib=1.3 mA，再根据Uc=Ib×R1+Ube(on)+Ue，并取Uc的最小值12 V进行计算，可知R1=2 k，此时Uce=Uc-Ue=4 V>Ube(on)。即当直流输入电压大于12 V，输出电流小于1 A，电阻R1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R1，使得静态工作点的Uce的电压为电源电压的一半。

3 温度扫描分析

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70℃,100℃,130℃,150℃,175℃的频率特性。如图2所示，该电路在上述温度下工作，即使电路工作在175℃的高温条件下，电路也可以对10 Hz以上的频率都具有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[5]。

图2 多种温度下的幅频特性曲线

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围和变化方式，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独立的电压源、独立的电流源、温度、模型参数和全局参数共5种，并且还可以设置参数的变化方式，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[5]。

将图1中的电阻R1的阻值设置为参数，并将电阻R1的阻值设置为20 Ω、200 Ω、2 kΩ、20 kΩ。进行参数扫描分析后，得到的幅频特性曲线图如图3所示。由图可知，电阻R1的值越大，电路的滤波效果越好，但是要考虑输出电流等问题，该文选自电阻R1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。

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R1、C1和达林顿三极管TIP122构成。

图4 滤波简化示意图

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，Uce=Ivb×R1+Ube，Ie=Ib+Ic=Ib+β×Ib=(1+β)×Ib。将图4(a)部分可以等效为图(b)电路，则Uce=Ie×Rce。由于达林顿三极管的导通电压Ube约为1.4 V，同时电路设计要求Uce的最大压降为2.8 V，则Uce=Ib×R1+Ube=2×Ib×R1=Ie×Rce=(1+β)×Ib，Rce=2×R1/(1+β)。滤波器的滤波性能一般用R与C的乘积来衡量，所以有R1×C1=Rce×C1′=2×C1′×R1/(1+β)，C1′=(1+β)×C1/2。由该式可知，滤波器的电容C1要比一般RC滤波器所需电容少(1+β)/2倍。通过较小的Rce电阻，实现了电路较小的压降，同时通过倍增的电容C1′，保持R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1 Hz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。

图5 幅频特性特性曲线图

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 μF)，但是实际电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，滤波后的纹波峰峰值约为20 mV。

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。

[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.

[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.

Design of An Electric Source Filter Circuit Based on PSPICE Simulation

ZHANG Quanwen, HAN Wei

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing101149，China)

One filter circuit based on Darlington transistor was designed to realize a stable power supply filter circuit with low noise under the condition of high 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 multiplier effect and an excellent power supply filtering effect, which meet the design requirements.

capacitance multiplier; quiescent operating point; filter circuit; temperature scan analysis; parameter sweep analysis

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@cosl.com.cn

P631.4+36

A

2096-0077(2017)03-0031-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.007

2016-05-27 编辑：韩德林)