CN102244464A

CN102244464A - 电源电路

Info

Publication number: CN102244464A
Application number: CN2011101901957A
Authority: CN
Inventors: 韦雄观; 黄建宁; 王克军
Original assignee: XI'AN TIANZHAO WEICHENG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: XI'AN TIANZHAO WEICHENG ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CN102244464B

Abstract

本发明公开一种电源电路，包括：可调参数恒流源、电压调整电路、反馈放大电路、温度补偿与控制电路、输出电压采样电路、滤波电路；可调参数恒流源用于驱动电压调整电路、反馈放大电路、温度补偿与控制电路；反馈放大电路用于对输出误差进行反馈放大；温度补偿与控制电路用于产生随温度变化的基准电压，以补偿温度漂移；输出电压采样电路用于对输出电压进行分压，生成反馈取样电压并提供给反馈放大电路。本发明的电源电路对输出电压的波动和温度的漂移都会形成负反馈调整，从而能同时达到自动温度补偿与自动稳压的效果，容易实现耐高温、耐高电压和大功率，适合于高温环境下对输入电压波动范围大、输出功率高、稳定性好、温度漂移低的应用场合。

Description

电源电路

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及电源电路。

背景技术

随着油气田勘探、开发范围进一步向地下深层区、滩海及深海等恶劣环境拓展，为了能精确有效地完成勘探、完井、开采和油藏数据的采集，对工作在高温、高压、强腐蚀等极端环境里的井下仪器的模块设计和整体性能都将提出新的挑战和要求。其中，高质量的耐高温稳压电源模块，往往是实现高性能的井下测量仪器和数据采集系统的基础，它不仅直接影响到设备的寿命、精度、灵敏度和可靠性，还直接决定着仪器的生产成本、功能集成以及对工作环境适应性——比如供电电压和温度范围等等。为降低成本提高作业效率，在多参数测井时通常需要同时投放多种不同功率和供电电压的仪器串。这时，如果这些仪器是通过电缆连接，则最简单的就是采用单芯电缆和单一电压源来给所有仪器供电；如果是电池供电，一般都采用多节电池的串联结构来达到一定的电池容量和电压幅度(电池串联比并联更适合井下仪器的管柱结构)；无论是哪种情况，都要求所有仪器的电源电压，必须能够承受仪器中最高的供电输入，再加上额外的电池或电源电压(用于补偿因电池衰减或长线电缆损耗而引起的电压波动)。

因此，作为理想的高端井下仪器的高温电源模块，最好能同时满足以下要求：输入电压范围大，输出电压对输入波动的稳定性好；工作温度范围大，高温漂移低；纹波小，输出功率大，对负载的稳定性好；最好能够实现低压差，并尽量降低功耗提高效率。

图1a和图1b是传统的晶体管串联稳压电路图，采用线性稳压结构来实现低纹波和低压差。图1b是图1a的改进电路，采用运算放大器来实现反馈误差放大电路。这两种电路结构都是采用大功率管子来实现大的动态范围输入和大功率输出，并采用三极管be结(或二极管)的负温度特性实现高温下的温度补偿，但其电路的主要问题是：

对输入的电压波动比较敏感，输入电压范围有限。由于输入电压波动直接影响偏置电阻R3两端的电压和调整管的电流，会造成输出电压会随输入电压的变化而波动，所以无法适用于大的动态调整范围。

对温度补偿的参数不可调节，精确度有限。其补偿电路是假设补偿管子T3和反馈放大管T2能在很宽的温度范围内都有完全一致的温度特性，或者二极管D1、D2、D3的正向温漂特性与反向的温漂特性完全相反，从而达到相互抵消的效果；但一般很难找到完全匹配的管子，电路也没有考虑其他器件的温漂和参数离散性，很难对高温环境变化和器件离散性实现精确补偿。

采用集成运算放大器做误差反馈放大，常温下工作虽然可以提高输出调整灵敏度，但对温度补偿的参数不可调节，其精确度依然有限。另外，限于目前的工艺水平，集成运放的输入电压一般不会超过30V～40V，无法承受高达上百伏的高压输入；能够适应的高温工作范围基本上都在-40℃到85℃之间，温度高于85℃～125℃时不但成本昂贵，温度漂移也很严重，温度大于150℃将很难稳定工作。

发明内容

本发明实施例提供一种电源电路，用以降低输入电压波动敏感度，适应大范围的输入电压，并使温度补偿的参数可调节，精确度提高，该电源电路包括：

可调参数恒流源、电压调整电路、反馈放大电路、温度补偿与控制电路、输出电压采样电路、滤波电路；其中：

可调参数恒流源的第一端与电压调整电路的第一端相连；可调参数恒流源的第二端与滤波电路的第一端、电压调整电路的控制端、反馈放大电路的第一端相连；

电压调整电路的第二端与输出电压采样电路的第一端相连；电压调整电路的控制端还与反馈放大电路的第一端、滤波电路的第一端相连；

反馈放大电路的第一端还与滤波电路的第一端相连；反馈放大电路的第二端与温度补偿与控制电路的第一端相连；反馈放大电路的控制端与输出电压采样电路的第二端相连；

温度补偿与控制电路的第二端、滤波电路的第二端、输出电压采样电路的第三端接地；

输入电压输入至可调参数恒流源的第一端、电压调整电路的第一端；输出电压由电压调整电路的第二端输出；

可调参数恒流源用于驱动电压调整电路、反馈放大电路、温度补偿与控制电路；电压调整电路用于调整电压；反馈放大电路用于对输出误差进行反馈放大；温度补偿与控制电路用于产生随温度变化的基准电压，以补偿温度漂移；输出电压采样电路用于对输出电压进行分压，生成反馈取样电压并提供给反馈放大电路；滤波电路用于滤波。

一个实施例中，可调参数恒流源包括：

PN结型场效应三极管JFET和可调电阻R0；其中：

JFET的漏极为可调参数恒流源的第一端；JFET的栅极与可调电阻R0的第二端相连，JFET的栅极和可调电阻R0的第二端为可调参数恒流源的第二端；JFET的源极与可调电阻R0的第一端相连。

一个实施例中，可调参数恒流源包括：

三极管T1、T2、固定电阻R2和可调电阻R0；其中：三极管T1、T2均为NPN管；

三极管T1的集电极与固定电阻R2的第一端相连，三极管T1的集电极和固定电阻R2的第一端为可调参数恒流源的第一端；三极管T1的基极与固定电阻R2的第二端、三极管T2的集电极相连；三极管T1的发射极与三极管T2的基极、可调电阻R0的第一端相连；

固定电阻R2的第二端还与三极管T2的集电极相连；

三极管T2的基极还与可调电阻R0的第一端相连；三极管T2的发射极与可调电阻R0的第二端相连，三极管T2的发射极和可调电阻R0的第二端为可调参数恒流源的第二端。

一个实施例中，电压调整电路包括三极管T1；三极管T1为NPN管；三极管T1的集电极为电压调整电路的第一端；三极管T1的发射极为电压调整电路的第二端；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

一个实施例中，电压调整电路包括三极管T1、T3和固定电阻R4；

三极管T3为PNP管；三极管T3的发射极为电压调整电路的第一端；三极管T3的集电极为电压调整电路的第二端；三极管T3的基极与三极管T1的集电极相连；

三极管T1为NPN管；三极管T1的发射极与固定电阻R4的第一端相连；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端；

固定电阻R4的第二端接地。

一个实施例中，电压调整电路包括三极管T1、T3；

三极管T3为PNP管；三极管T3的发射极为电压调整电路的第一端；三极管T3的集电极与三极管T1的发射极相连，三极管T3的集电极和三极管T1的发射为电压调整电路的第二端；三极管T3的基极与三极管T1的集电极相连；

三极管T1为NPN管；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

一个实施例中，反馈放大电路包括三极管T2；三极管T2为NPN管；三极管T2的集电极为反馈放大电路的第一端；三极管T2的发射极为反馈放大电路的第二端；三极管T2的基极为反馈放大电路的控制端。

一个实施例中，温度补偿与控制电路包括：可调铂电阻、固定电阻、热敏电阻、热敏二极管其中之一或任意组合而成的串联或并联电路。

一个实施例中，输出电压采样电路包括：固定电阻R1、可调电阻R2；固定电阻R1的第一端为输出电压采样电路的第一端；固定电阻R1的第二端与可调电阻R2的第一端相连，固定电阻R1的第二端和可调电阻R2的第一端为输出电压采样电路的第二端；可调电阻R2的第二端为输出电压采样电路的第三端。

一个实施例中，滤波电路包括电容C1；电容C1的第一端为滤波电路的第一端；电容C1的第二端为滤波电路的第二端。

本发明实施例的电源电路无论对输出电压的波动还是对温度的漂移都会形成负反馈调整，从而能同时达到自动温度补偿与自动稳压的效果，容易实现耐高温、耐高电压和大功率；且只需要适当设计可调恒流源的参数，就可以同时满足大输入电压范围、宽温度补偿范围和很好的输出稳定性；温度补偿的参数调节具有很好的独立性和灵活性，能容易实现各种不同温度系数的精确校正。本发明实施例的电源电路结构简单、接口清晰，易于模块化设计和优化，可应用于油田测井领域，适应宽输入范围的井下高温稳压电源设计，特别适合于高温环境下对输入电压波动范围大、输出功率高、稳定性好、温度漂移低的应用场合；还可以应用到更广泛的电子电路中对输入波动大、温度漂移大的敏感元件进行电压和温度补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1a为背景技术中一种传统的晶体管串联稳压电路图；

图1b为背景技术中另一种传统的晶体管串联稳压电路图；

图2a为本发明实施例中电源电路的其整体结构框图；

图2b为本发明实施例中一种采用全晶体管电路实现的原理图；

图3a为本发明实施例中基于JFET的可调参数恒流源的结构示意图；

图3b为本发明实施例中基于晶体管的可调参数恒流源的结构示意图；

图4为本发明实施例中温度补偿与控制电路的结构示例图；

图5a为本发明实施例中温度补偿与控制电路采用Pt铂电阻等线性温度敏感元件实现线性补偿的示例图；

图5b为本发明实施例中温度补偿与控制电路限定斜率变化和最大补偿范围的准线性补偿的示例图；

图5c为本发明实施例中温度补偿与控制电路限定变化幅度和最大补偿范围的准2阶补偿的示例图；

图5d为本发明实施例中温度补偿与控制电路限定变化幅度和最大补偿范围的2阶补偿的示例图；

图5e为本发明实施例中温度补偿与控制电路采用更高阶的热敏电阻的示例图；

图6a为本发明实施例中采用NPN管T1对地偏置来驱动PNP管T3作电压调整电路的示意图；

图6b为本发明实施例中采用NPN管T1对输出端偏置来驱动PNP(或IGBT)管T3作电压调整电路的示意图；

图7a为本发明实施例中进行实验比对的传统电路示意图；

图7b为本发明实施例中进行实验比对的本发明具体实例电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例的目的是设计一种能克服上述问题的电源电路，可适应井下仪器或监控设备等需要输入范围大(高达几十甚至上百伏)、输出稳定性好、功率高、高温漂移低的应用环境。本发明实施例的电源电路具有电路简单、参数调整简便灵活、成本低廉等优点，不仅可应用于油气测井领域，还可以应用到更广泛的电子电路中对输入波动大、温度漂移大的敏感元件进行电压和温度补偿。

为达到上述目的，本发明实施例提供一种电源电路，其整体结构框图参见图2a，主要包括：可调参数恒流源、电压调整电路、反馈放大电路、温度补偿与控制电路、输出电压采样电路、滤波电路。其中：

本发明实施例的电源电路可采用一体化的全高温晶体管结构外加温度敏感元件如RTD(Resistance Temperature Detector，电阻温度探测器)作高温补偿的方法来实现，其具体实现结构可以有多种形式，下面分别举例说明。

一个实施例中，电压调整电路可以包括三极管T1；三极管T1为NPN管；三极管T1的集电极为电压调整电路的第一端；三极管T1的发射极为电压调整电路的第二端；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

一个实施例中，反馈放大电路可以包括三极管T2；三极管T2为NPN管；三极管T2的集电极为反馈放大电路的第一端；三极管T2的发射极为反馈放大电路的第二端；三极管T2的基极为反馈放大电路的控制端。

一个实施例中，输出电压采样电路可以包括：固定电阻R1、可调电阻R2；固定电阻R1的第一端为输出电压采样电路的第一端；固定电阻R1的第二端与可调电阻R2的第一端相连，固定电阻R1的第二端和可调电阻R2的第一端为输出电压采样电路的第二端；可调电阻R2的第二端为输出电压采样电路的第三端。

一个实施例中，滤波电路可以包括电容C1；电容C1的第一端为滤波电路的第一端；电容C1的第二端为滤波电路的第二端。

图2b是根据图2a的结构框图给出的一种最典型的采用全晶体管电路实现的原理图。图2b中，I0为可调参数恒流源，其参数可采用电阻或温度敏感元件如RTD调节，I0＝I1+I2，I0同时用来驱动三极管T1、T2、以及温度补偿与控制电路，图2b中的温度补偿与控制电路采用热敏电阻Rt作温漂补偿用；Rt是随温度变化的RTD，流过的电流I2(随着I0的变化而变化)将产生随温度变化的基准电压Vref＝Rt*I2，用作温度漂移的精确补偿；固定电阻R1和可调电阻R2对输出电压Vout的分压生成反馈取样电压Vs＝Vout*R2/(R1+R2)，这里的R1、R2用于调节输出电压的大小，分压电阻也可以采用温度敏感元件RTD，和Rt一起共同构成温度补偿电路；反馈误差Vbe＝Vs-Vref(Vbe：Base to emitter drop，基极-发射极电压降)。

图2b所示电路的优点在于：利用T2对输出误差进行反馈放大，并采用可调参数恒流源驱动RTD来产生随温度变化的基准电压Vref，用以补偿温度漂移，提高调整的精度和温度稳定性；采用可调参数恒流源驱动三极管T1的偏置电路，消除输入电压波动导致的偏置波动和输出变化；采用电容C1对T1的基极进行滤波，不但可以减少电路噪声和交流纹波，还可以起到软启动保护的功能。

图2b所示电路的输入耐压范围、输出功率、输出电压取决于所选择的三极管T1、T2和分压电阻R1、R2，可以根据需要进行灵活选择。特别是，T1、T2也可以采用达林顿管(包括PNP和NPN不同组合的达林顿管对)，以提高调整的功率和灵敏度。

下面以图2b所示电路的结构为例，详细论述本发明实施例的稳压和温度补偿过程，以便对其优点有更深入理解：

(1)、输出Vout增大＝＝＞Vs增大＝＝＞Vbe增大＝＝＞T2导通、I2增大＝＝＞I1减少、T1截止＝＝＞输出Vout降低，其稳定值只与T2调整平衡时的be结电压Vbe＝Vp(PositiveVoltage，正电压)有关。

(2)、Vout减少的调节过程类似，其稳定值只与T2调整平衡时的be结电压Vbe＝Vp有关。

(3)、输入Vin变化，或温度t升高引起T1变化，或负载变动＝＝＞输出Vout变化＝＝＞恒流源I0不受变化影响＝＝＞电路对输出电压Vout的上述调节过程不受影响。

(4)、温度t升高＝＝＞T2的be结导通加快＝＝＞T2调整平衡时be结的电压Vbe＝Vp减小＝＝＞稳定输出Vout减小，其减少幅度与T2的温度特性有关。

(5)、温度t升高＝＝＞热敏电阻Rt增大＝＝＞基准电压Vref＝I2*Rt增大＝＝＞T2的be结因负反馈偏向截止＝＝＞稳定输出电压Vout增大，其增大幅度与I2(也就是I0)与Rt的大小密切相关。

(6)、上述(4)、(5)对温度的变动是往相反的方向进行的，由于Vref＝I2*Rt＝(I0-I1)*Rt≈I0*Rt，Vref调整的幅度受到I0的影响，只要选择适当的I0和Rt——比如，假设T2平衡时因温漂引起的结电压Vbe变化量为ΔVbe，又假设温漂引起的Rt电阻变化量为ΔRt，则通过根据下式调整恒流源I0就可以让它们对温度的影响相互抵消：

I0＝ΔVbe/ΔRt (公式1)

即：与传统的电路图1a、图1b相比较，本发明实施例电路通过参数的优化设计，能达到更加精确的温度补偿效果。

(7)、上述(6)对T1的Vbe的温漂进行补偿的例子，虽然是通过单个温度敏感元件Rt的温度变化来实现的，但也可以通过电流I0或分压电阻R1、R2对温度的变化；或者采用多个温敏元件RTD来实现多参数的温度补偿。——比如，假设Rt为普通电阻(不随温度变化)，与前面公式1的讨论类似，则根据下式设计可调参数恒流源I0随温度变化的特性ΔI0，就可以让它们对温度的影响相互抵消：

ΔI0＝ΔVbe/Rt (公式2)

又比如，采用温敏元件RTD替代R2，通过改变分压电阻来改变Vs＝Vout*R2/(R1+R2)进行温度补偿，假设温漂引起的R2电阻变化量为ΔNR2，要保持输出电压Vout不变，则输出分压采样电压Vs的变化量为ΔNVs＝Vout*ΔR2*R1/(R1+R2)，又假设T2平衡时因温漂引起的Vbe结电压变化量为ΔNVbe，则分压采样电阻R2的变化量根据下面公式计算，就可以让它们对温度的影响相互抵消：

ΔR2＝(1+R2/R1)*ΔVbe/Vout (公式3)

(8)、上述(6)和(7)对T1管子Vbe的温漂进行补偿的例子，只是为了方便说明如何采用一体化的全高温晶体管结构外加RTD(温度敏感元件)的设计思想，其创意显然不仅仅限于采用某种温敏器件或某种固定的函数形式。

其中，可调参数恒流源可以采用可调电阻R0调节电流I0。

如图3a所示，一个实施例中，可调参数恒流源可以基于JFET的结构，实现低功耗设计，具体可以包括：

PN结型场效应三极管JFET和可调电阻R0；其中：

如图3b所示，一个实施例中，可调参数恒流源可以基于晶体管的结构，实现大功率驱动，具体可以包括：

固定电阻R2的第二端还与三极管T2的集电极相连；

图4为温度补偿与控制电路的几种具体结构示意。一个实施例中，温度补偿与控制电路可以包括：可调铂电阻(Pt1000)、固定电阻(R0)、热敏电阻(Rt)、热敏二极管(D)其中之一或任意组合而成的串联或并联电路。

即，图3a、图3b的可调参数恒流源中调节I0的R0，温度补偿与控制电路中调节Vref的热敏电阻Rt，均可以采用Pt1000、热敏电阻Rt、热敏二极管D或固定电阻R等元件，或者这些元件的串、并联等结构来实现，参见图4。另外，RTD热敏元件既可以是正温度系数(PTC)也可以是负温度(NTC)的，或者是采用正温度系数(PTC)和负温度(NTC)的RTD相并联的方式，以实现不同温漂方向和不同阶次的最佳补偿效果，参见图5a-图5e和后续的相关讨论。

(9)、上述(1)-(8)的补偿参数调节和优化方式，既可以单独使用，也可以对其中的一种或多种进行优化与综合应用；这些参数既可以用于单个电路模块的补偿，还可以同时用于调整电源电路中多个电路模块，包括可调参数恒流源、滤波电路、输出电压采样电路、反馈放大电路、电压调整电路、以及温度补偿与控制电路等组成模块，以实现不同温度范围、不同补偿变化率、不同多项式阶次的逼近方式、以及不同输出幅度范围的精确补偿。

关于如何利用更多的参数来实现不同温漂方向、不同阶次的线性或非线性温度补偿，特别是二次函数中开口向下的最佳抛物线补偿，将结合图5a-图5e在后续的应用效果、实施实例中详细说明。

总之，通过温度敏感元件的使用和参数的适当选择，本发明实施例的电源电路无论对输出电压的波动还是对温度的漂移都会形成负反馈调整，从而能同时达到自动温度补偿与自动稳压的效果。其主要优点是：

采用一体化的全高温晶体管结构外加温度敏感元件(RTD)作温度补偿的设计，容易实现耐高温、耐高电压和大功率；

采用可变参数恒流源来同时驱动反馈放大电路、电压调整电路和温度补偿电路，只需要适当设计恒流参数，就可以同时满足大输入电压范围、宽温度补偿范围和很好的输出稳定性；

可调参数恒流源和温度敏感元件(RTD)相结合作为温度补偿的输入，参数调节具有很好的独立性和灵活性，能容易实现各种不同温度系数的精确校正。

下面从本发明实施例电源电路的结构设计与模块化调试、温度补偿参数选择的灵活性、稳压试验结果等多方面的综合对比，讨论本发明实施例的实际应用效果。

1、电路结构设计更灵活、很适合模块化的设计调试模式。

由图2a和图2b和前面的讨论不难看出，本发明实施例各个电路模块主要根据功能划分，结构简单、接口清晰，参数调节具有很好的独立性，易于模块化设计和优化；器件选择也非常灵活，无需像传统的温度补偿电路那样，要求相配对的器件有一致的温度特性。比如，图3a、图3b的可调参数恒流源中调节I0的R0，温度补偿与控制电路中调节Vref的热敏电阻Rt，均可以采用Pt1000、热敏电阻Rt、热敏二极管D或固定电阻R等元件，或者这些元件的串、并联等结构来实现，参见图4。因此很容易针对不同的输入输出要求(比如耐压、输入范围、压差要求、功率输出、温度范围、功耗等指标)，先对各个单元进行独立设计和调试，然后再集成到一起，最后再统一做整体性能的优化。这种模块化的设计调试模式，非常适合于流水线的批量生产与检测。

2、易于实现所需要的补偿曲线，温度补偿更精确。

无论选择改变I0、Rt还是反馈分压电阻R2来实现温度补偿，其精度都取决于补偿电路的参数曲线是否能完全匹配待补偿元件的温度系数。由于RTD热敏元件既可以是正温度系数(PTC)也可以是负温度(NTC)的，而且采用正温度系数(PTC)和负温度(NTC)的RTD相串、并联的简单方式，就可以实现从线性、准线性、二次函数、以及更高阶次的温度补偿曲线；因此，相比于采用PN结或二极管做温度补偿的传统方法，本发明实施例的参数调节方式具有更多的灵活性，更容易实现各种不同温度系数的精确校正，电路的温度稳定性更佳。

下面将结合图5a-图5e做详细讨论。

图5a是采用Pt铂电阻等线性温度敏感元件实现线性补偿的例子(一阶补偿)，其温度特性如下：

R(t)＝R0+A*t (公式4)

图5b是限定斜率变化和最大补偿范围的准线性补偿的例子(近似一阶补偿，比如采用R0对NTC热敏电阻Rt的线性化)，其温度特性如下：

R (t) = \frac{R_{0} R_{C} + A R_{0} t}{(R_{0} + R_{C}) + At}

(公式5)

图5c是限定变化幅度和最大补偿范围的准2阶补偿的例子(分子为抛物线方程，分母为线性方程，当A1和A2接近时分母近似为常量)，其温度特性如下：

R (t) = \frac{R_{1} R_{2} + (A_{1} R_{2} - A_{2} R_{1}) t - A_{1} A_{2} t^{2}}{(R_{1} + R_{2}) + (A_{1} - A_{2}) t}

(公式6)

图5d是图5c的特例，A1＝A2＝A，也是限定变化幅度和最大补偿范围的2阶补偿的例子(抛物线补偿)，其温度特性如下：

R (t) = \frac{R_{1} R_{2} + A (R_{2} - R_{1}) t - A^{2} t^{2}}{R_{1} + R_{2}}

(公式7)

上述两种2阶补偿曲线在抛物线的顶点tp处可达到最平坦的补偿效果(最佳二阶补偿)。假设R1+R2＝R0保持不变，则图5d的顶点坐标为：

\{\begin{matrix} t_{P} = \frac{R_{2} - R_{1}}{2 A} \\ R_{P} = {(\frac{R_{2} + R_{1}}{2})}^{2} = {(\frac{R_{0}}{2})}^{2} \end{matrix}

(公式8)

其电路的实现方式为：

并联的正温度系数(PTC)和负温度(NTC)的RTD的温度系数保持大小相等符号相反，采取带中心抽头的电位器两端分别接入RTD，并从电位器的中心其抽头连接到输出，就可以实现R0＝R1+R2保持不变的情况下调节(R2-R1)，对二次补偿函数即抛物线的顶点坐标、开口方向、开口大小进行独立控制，从而实现最佳补偿温度点(即补偿函数在某个温度点tp处保持最平稳)、最大补偿区间(范围)和变化速率的独立调节与优化。

由此可见，只要改变温度系数A，就可以在维持R_P＝(R₀/2)²不变的情况下改变抛物线的开口宽度和顶点对应的温度tp＝(R2-R1)/2A，从而调节补偿的范围和变化率。

另一种方式是抛物线的开口宽度(即：补偿曲线的变化率)不改变，也就是不改变温度系数A，只调节电位器的中心抽头来改变(R2-R1)，从而调节最平稳处对应的补偿温度点tp。

图5e是采用更高阶的热敏电阻的例子，普通的PTC或NTC热敏电阻，若没有进行准线性化补偿，其温度特性一般是指数变化的，比如：

PTC热敏电阻：R(t)＝R₀(1-e^-At) (公式9)

NTC热敏电阻：R(t)＝R₀e^-At (公式10)

由此可见，采用正温度系数(PTC)和负温度(NTC)RTD相并联的方式，再加上可调电阻或带中心抽头的电位器，很容易实现不同参数和不同多项式阶次——从线性、准线性、二次函数特别是开口向下的抛物线、以及指数函数等等补偿曲线的更有效拟合。另外，上述补偿函数的选择方式，既可以单独使用，也可以对其中的一种或多种进行综合应用，以实现不同温度范围、不同补偿变化率、不同多项式阶次的逼近方式、以及不同输出幅度范围的精确补偿。

电压调整电路除图2b所示的结构外，还可以有多种实现形式。例如，图6a采用NPN管T1对地偏置来驱动PNP管T3作电压调整电路，可以实现低压差和低输出电压的结构；图6b采用NPN管T1对输出端偏置来驱动PNP(或IGBT)管T3作电压调整电路，可以实现低功耗和低输出电压的结构；其中输出采样的分压电阻R1、Rt2(即T2的偏置电阻)也可以采用PTC或NTC的热敏电阻作进一步补偿，以提高电源的精度和温度适应范围。

具体的，图6a所示电压调整电路可以包括三极管T1、T3和固定电阻R4；

固定电阻R4的第二端接地。

图6b所示电压调整电路可以包括三极管T1、T3；

三极管T1为NPN管；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

下面给出几个具体实例，说明本发明实施例中电源电路的实施。

实施例一

本实施例中，电源电路的结构如图2b所示，其中RTD采用Pt1000(零度电阻1k欧姆)，可调参数恒流源分别采用图3a、图3b的两种结构，并采用可变电阻R0调节电流I0。图3a为基于JFET的结构，因为JFET的反向饱和导通电流I0＝Idss比较小，一般在几十uA至几个mA左右，在调整管T1的放大倍数比较大的情况下(比如采用达林顿管)，可实现低功耗设计；图3b为基于晶体管的结构，电流I0由电阻R0调节，范围可在几十uA至几十mA以上，可直接实现大功率管子T1的驱动。JFET也可以采用VMOS管替代而达到同样的低功耗和大功率驱动效果，但由于VMOS管最高工作温度在150℃～175℃之间，而高温晶体管和JFET的工作温度都可达到-55℃～+200℃范围，所以元器件的选择可以根据具体需要灵活选择。

本实施例的电源电路生产调试工艺可以包括如下步骤：

1、先调节分压采样电阻R1和R2，使输出稳定于所设计的输出值Vout附近；再调节可调参数恒流源的R0，使T1、T2工作于放大状态。

2、提高环境温度(比如采用环境冲击试验箱)，察看温漂波动特性，再根据波动方向和大小调节R0，增加I0和Vref对温度的补偿幅度，使输出达到温漂稳定度最好。比如，假设T2平衡时因温漂引起的结电压Vbe变化量为ΔVbe，又假设温漂引起的Rt电阻变化量为ΔRt，则通过前面讨论的公式1来调整恒流源就可以让它们对温度的影响完全抵消：

I0＝ΔVbe/ΔRt

3、反复上述1、2两步，直到输出调到需要的Vout和达到最好的温度补偿效果。

4、若上述1、2、3步调整还不能满意，可以把ΔVbe分解为三部分的叠加，即ΔVbe＝ΔVbe0+ΔVbe1+ΔVbe2，同时采用温度敏感元件RTD来替代可调参数恒流源的R0和分压电路中的R2，并根据前面讨论的公式1～公式3，联合调整相应的温度补偿参数如下：

I0＝ΔVbe0/ΔRt (公式11)

ΔI0＝ΔVbe1/Rt (公式12)

ΔR2＝(1+R2/R1)*ΔVbe2/Vout (公式13)

实施例二

本实施例中，电源电路的结构如图6a所示，实施例二与实施例一的不同之处主要是：

采用NPN管T1对地偏置来驱动PNP管T3作电压调整电路，以实现低压差(1.0V以内)和低输出电压(2.4V左右)的结构，并大大降低T1的基极电流I1对恒流源I0的分流作用；

其中对Vref的温度补偿Rt1采用阻值更小的Pt100(零度电阻100欧姆)；

如果功耗太大，或者Rt的温度补偿范围不够，则输出采样的分压电阻R1、R2(即T2的偏置电阻Rt2)也同时采用PTC或NTC的热敏电阻作进一步补偿，以提高电源的精度和温度适应范围。

实施例二的电源电路生产调试工艺与实施例一相同。

实施例三

本实施例中，电源电路的结构如图6b所示，可以认为对应于图2b的T1采用达林顿管的结构，实施例三与实施例一的不同之处主要是：

图6b采用NPN管T1对输出端偏置和PNP(或IGBT)管T3连接作电压调整电路，以实现低功耗(功耗主要取决于可调参数恒流源的I0)和低输出电压的结构，并大大降低T1的基极电流I1对恒流源I0的分流作用；

其中对Vref的温度补偿Rt1采用阻值更大的Pt1000(零度电阻1k欧姆)；

输出采样的分压电阻R1、R2(即T2的偏置电阻)也同时采用PTC或NTC的热敏电阻作进一步补偿，以提高电源的精度和温度适应范围。

实施例三和实例二的差别在于NPN管T1的发射结连接方式不同：实施例二对地偏置，而实施例三对输出端偏置。

实施例三的电源电路生产调试工艺与实施例二相同。

下面比较说明传统的电源电路与本发明实施例的电源电路试验结果。

图7a是进行实验比对的传统电路，对应于图1a的结构，图7b是本发明的一个具体实施实例，对应于图2b的T1采用达林顿管的结构，或对应于图6b的结构。

采用图1a和图6b电路结构作试验比较，设计输出电压为+3.3V(常温25C，输出负载Iout＝15mA)，具体的电路参数参见图7a和图7b。下面表1至表3分别是两种电路在相同的环境变化条件下的输出调整结果比对，其中Vout1对应于图7a，Vout2对应于图7b。可以看到，图7b或图6b所对应的本发明实施例的电源电路结构，分别对输入电压变化、输出电流(负载)变化、温度变化的调整效果更好，特别是对温度特性和输入波动具有很好的补偿和稳定效果。

表1：输入电压Vin变化时的输出调整结果(常温25C，输出负载Iout＝15mA)

输入Vin(V)	5.0	10.0	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
								输出Vout1(V)	3.08	3.21	3.30	3.39	3.46	3.54	3.61
输出Vout2(V)	3.25	3.28	3.30	3.32	3.35	3.36	3.37

当Vin从5.0V～35V变化时，Vout1＝3.08V～3.61V，变化幅度为0.53V；而Vout2＝3.25V～3.37V，变化幅度只有0.12V；说明采用可变参数恒流源作偏置激励具有很好的抗输入波动能力。

表2：输出电流Iout(负载)变化时的输出调整结果(常温25C，输入电压15V)

输出Iout(mA)	5.0	10.0	15.0	20.0	25.0	30.0	35.0
								输出Vout1(V)	3.38	3.35	3.30	3.28	3.25	3.21	3.10
输出Vout2(V)	3.33	3.32	3.30	3.29	3.27	3.25	3.24

当Iout从5.0mA～35.0mA变化时，Vout1＝3.38V～3.10V，变化幅度为0.28V；而Vout2＝3.33V～3.24V，变化幅度只有0.09V。说明采用可调参数恒流源作偏置激励具有更好的抗负载波动能力。

表3：温漂特性比较(输入电压Vin＝15V，输出负载电流Iout＝15mA)

温度T(C)	0.0	25.0	50.0	75.0	100.0	125.0	150.0	175.0
									输出Vout1(V)	3.39	3.30	3.26	3.20	3.13	2.91	2.62	1.80
输出Vout2(V)	3.34	3.30	3.29	3.27	3.24	3.22	3.18	3.13

当温度T从0℃～175℃变化时，Vout1＝3.39V～1.80V，变化幅度为1.59V(试验发现温度150C以上时，图7a中2.4V稳压管和补偿二极管的高温性能急剧变差)；而Vout2＝3.34V～3.13V，变化幅度只有021V。说明本发明实施例具有更好的温度补偿性能和高温工作能力。

综上所述，本发明实施例的电源电路无论对输出电压的波动还是对温度的漂移都会形成负反馈调整，从而能同时达到自动温度补偿与自动稳压的效果。其采用一体化的全高温晶体管结构外加温度敏感元件(RTD)作温度补偿的设计，容易实现耐高温、耐高电压和大功率；采用可变参数恒流源来同时驱动反馈放大电路、电压调整电路和温度补偿电路，只需要适当设计恒流参数，就可以同时满足大输入电压范围、宽温度补偿范围和很好的输出稳定性；可调参数恒流源和温度敏感元件(RTD)相结合作为温度补偿的输入，参数调节具有很好的独立性和灵活性，能容易实现各种不同温度系数的精确校正。

本发明实施例的电源电路结构简单、接口清晰，易于模块化设计和优化，电源电路的各个组成模块器件选择非常灵活，可独立设计和调试，然后再集成到一起；因此很容易针对不同的输入输出要求(比如耐压、输入范围、压差要求、温度范围、功率输出等)做设计优化。

本发明实施例的电源电路可应用于油田测井领域，适应宽输入范围的井下高温稳压电源设计，特别适合于高温环境下对输入电压波动范围大、输出功率高、稳定性好、温度漂移低的应用场合。还可以应用到更广泛的电子电路中对输入波动大、温度漂移大的敏感元件进行电压和温度补偿。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电源电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，可调参数恒流源包括：

PN结型场效应三极管JFET和可调电阻R0；其中：

3.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，可调参数恒流源包括：

固定电阻R2的第二端还与三极管T2的集电极相连；

4.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，电压调整电路包括三极管T1；三极管T1为NPN管；三极管T1的集电极为电压调整电路的第一端；三极管T1的发射极为电压调整电路的第二端；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

5.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，电压调整电路包括三极管T1、T3和固定电阻R4；

固定电阻R4的第二端接地。

6.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，电压调整电路包括三极管T1、T3；

三极管T1为NPN管；三极管T1的基极为电压调整电路的控制端。

7.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，反馈放大电路包括三极管T2；三极管T2为NPN管；三极管T2的集电极为反馈放大电路的第一端；三极管T2的发射极为反馈放大电路的第二端；三极管T2的基极为反馈放大电路的控制端。

8.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，温度补偿与控制电路包括：可调铂电阻、固定电阻、热敏电阻、热敏二极管其中之一或任意组合而成的串联或并联电路。

9.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，输出电压采样电路包括：固定电阻R1、可调电阻R2；固定电阻R1的第一端为输出电压采样电路的第一端；固定电阻R1的第二端与可调电阻R2的第一端相连，固定电阻R1的第二端和可调电阻R2的第一端为输出电压采样电路的第二端；可调电阻R2的第二端为输出电压采样电路的第三端。

10.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，滤波电路包括电容C1；电容C1的第一端为滤波电路的第一端；电容C1的第二端为滤波电路的第二端。