5v简易直流稳压电源仿真设计Word格式.docx
《5v简易直流稳压电源仿真设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5v简易直流稳压电源仿真设计Word格式.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Integratedvoltageregulatorhastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,convenientinstallationanddebugging,highreliabilityandstability.
KeyWords：
Thepowersupply；
voltagerectifierfilter
1绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着时代的进步，电子技术的飞速发展，电子设备在人们的生活和生产中起到了越来越重要的作用，许多的电子设备对电源也提出了更高的要求。
通常会有很多常用的电子设备不能够和别的电器一样使用交流电,则是需要使用能够输出稳定的直流电的直流电源，并且对直流电源的性能、体积、重量等的指标要求也在不断提高，时至今日，世界能源日益贫乏，电子设备对于稳压电源的功率损耗等也提出了更加高的要求；
并且，现如今电子设备种类的飞速增加，电子设备对于直流电源输出的电压值和电流值的要求也变得越来越多。
自上世纪九十年代以来，电子系统要求实现更高的效率和更低的功耗，电信与数据通讯设备的技术更新速度飞快，它也推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和更具智能化的方向发展。
从80年代的第一代分布式供电系统开始，到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流电源行业正面临着更大的挑战，那就是怎样实现在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制功能。
其实，在90年代中期，一些半导体生产商们就能够开发出了数控电源管理技术，但是在当时，这种方案的性价比与市面上广泛使用的模拟控制方案相比还相差甚远，因此没有被广泛采用在生产和生活当中。
因为当时板载电源管理被广泛的应用，电源行业能源节约和运行最优化也备受关注，电源行业和半导体生产商们便开始着手开发名为“数控电源”的一种新产品。
在今天，随着直流电源技术的快速发展,整流系统的发展由以前的分立元件和集成电路控制转换为使用微机控制,使直流电源达到了智能化的性能,其中包括具有遥测、遥信、遥控的三遥功能的直流电源,基本实现了在直流电源无人看守的情况下也能工作。
1.2电源的应用和发展现状
电源技术是一门实践性很强的电子工程技术，它服务于当今社会的各行各业，在生产和生活中得到广泛的应用。
电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域的知识。
随着计算机技术和通讯技术发展而来的现代化信息技术的革命，给电力电子技术的发展提供了非常广阔的前景，同时这也对电源本身提出了越来越多的要求。
数控电源在电子装置中得到普遍使用，但是普通电源在工作时产生一些误差，会影响到整个系统的精确度，电源在使用时甚至会造成很多不良后果，给生产带来不便，因此世界各国对电源产品提出了不同的要求并制定了一些的产品精度标准。
只有满足了这些产品标准，才可以进入市场。
在经济全球化发展的今天，只有满足国际标准的电源产品才能获得进出各国的通行证。
电源可以分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的重要组成部分。
交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备，电子产品都要采用直流电源作为供电能源，比如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等。
现在所使用的大多数电子设备，几乎都必须用到直流稳压电源供电，才能使其正常工作，而如今最常使用的是能将交流电网的交流电压转换为稳定直流电压的直流电源，由此可见直流稳压电源在电子设备中起着非常重要的作用，直流电源为电子、电气设备能够正常稳定的工作提供保证。
电网的220V、50HZ的单向交流电经电源变压器降压后，再经过整流滤波过程可获得电压较低的小功率直流电源。
又因为一般的电网电压会有±
10%幅度的波动变化，必须将整流滤波后的直流电压经过稳压电路稳定后再提供给负载，才能够使负载上直流电源电压受电网波动因素的影响程度达到最小，保证电子设备的正常工作。
1.3直流稳压电源概述
在电子电路和电子设备中，所需的供电设备一般是电压稳定的直流电源，它作为电子电路中不可或缺的重要组成部分，其作用如下：
一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，二是为整个电子电路提供能量。
常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式向电路供电，此原理是依据化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，这种方式的缺陷在于能量的使用要受很多实际条件（如电池的容量）的限制；
另一种方式是利用电网向电路供电，把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量。
根据电网提供的能量是可再生的，因此这种供电方式具有很大的优势，也被广泛的使用。
直流稳压电源的基本组成结构可以用图1-1表示，由稳压电路、滤波电路、整流电路和电源变压器等四部分组成一个完整的电路。
图1-1直流稳压电源结构图
电源变压器的作用是是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，脉动的直流电压是由交流电压通过蒸馏电路而形成的。
由于脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，才能得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动，电网波动一般在±
10%左右，电网波动受电路中的负载和温度影响。
因而在整流、滤波电路之后，电源还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，保证输出直流电压稳定。
一般的电子设备所用的都是较小的直流电压，通常低于千瓦，但对其的稳定性还是有较高的要求。
对直流电源的性能要求是：
纹波小、高负载能力和输出电压稳定等。
直流电源的性能指标主要有如下几个：
（1）输入电压，符号为Ui。
输入电压Ui为220V、50Hz的交流电
（2）额定输出电压，符号为U0。
输出电压U0在可变电源的某个范围值之内
（3）最大输出电流，符号为Imax。
在额定输出电压U0下工作时，提供的最大输出电流。
也可用最大输出功率Pmax来表示。
（4）纹波系数，符号为S。
纹波系数S反应了输出电压的稳定程度。
用电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压的比值。
1.4本设计研究的主要内容
（1）复习电子电路的相关知识，了解直流稳压电源的组成和工作原理。
查阅并收集与本课题有关的资料。
（2）设计直流稳压电源，满足性能指标要求，并对设计电路进行工作原理分析，元件参数计算及元件选择。
（3）对所设计电路进行仿真与调试。
（4）关于直流电源设计和仿真的总结与体会。
2电源方案设计
2.1设计的目的和任务
2.1.1设计的目的
随着电子技术的发展，在人们的生产活动和日常的生活中，电子设备扮演着越来越重要的角色，在教学、科研等众多领域都有电子设备的应用。
通过直流稳压电源的设计和对所设计电路进行仿真与调试，巩固所学的电子技术知识，提高对电路的设计、分析、应用和仿真的能力，为今后的从事相关的研发工作奠定基础。
2.1.2设计的任务
设计一个直流稳压电源，使之能够满足性能指标要求，能够对设计电路进行工作原理分析，计算出相关元器件参数，选择符合要求的各种电路元器件；
利用仿真软件对所设计电路进行仿真与调试；
对直流稳压电源的仿真调试结果进行分析和总结。
直流稳压电源的主要设计指标如下：
（1）输出电压Uo及最大输出电流Iomax：
Uo=±
5V,Iomax=1A;
（2）纹波电压：
∆Uop–p≤5mV。
（3）稳压系数：
SU<
=0.005。
（4）具有过流保护功能。
2.2设计的思路
直流稳压电源的原理即通过变压、整流、滤波、稳压四个环节将220V、50Hz的交流电转换成稳定直流电压。
如图2-1所示
图2-1直流稳压电源设计波形变化图
直流稳压电源主要依据以下思路进行设计的：
（1）220V（有效值）50Hz的交流电压由电网提供，要想获得的直流电流为低压直流，必须先获得低压交流电压，即利用电源变压器将电网电压降低。
（2）直流电压通过电源变压器降压后得到的交流电压，再将交流电压通过整流电路进行整流，由此得到单向的脉动直流电，但其幅度变化大。
（3）过滤电路的作用是将直流电中的交流成份滤掉，保留其直流成份即为脉动大的直流电压转变为平滑且脉动小的直流电压。
（4）滤波后的平滑且脉动小的直流电压还需进一步转化为稳定直流电压输出，达到基本不受外界因素干扰的直流电压，这需要借助稳压电路进行稳压。
稳压过后的直流电压即可供给负载RL。
2.3设计的电路选择
2.3.1整流电路的设计
方案一:
采用半波整流电路
半波整流电路如图2-2所示，半波整流电路只利用电源输出电压的正半周，电源的利用效率非常低，会带来很大的资源浪费，它仅局限于低电流、高电压等少数情况下使用，在电源电路中一般不使用半波整流。
图2-2半波整流电路图
方案二：
采用全波整流电路
全波整流电路图见如图2-3所示，全波整流所使用的整流器件较半波整流时多一倍，全波整流电路中单个整流二极管上流过的电流是半波整流电路中单个整流二极管上流过的电流的二分之一，比电路中负载电流少一半。
全波整流电路的整流电压脉动较小，变压器的利用率比半波整流时高很多，整流器件所能承受的反向电压较高。
但是全波整流电路需要特制的变压器才能正常工作，变压器二次绕组需要一个中心抽头，制作起来会比较麻烦。
图2-3全波整流电路图
方案三：
采用桥式整流电路
桥式整流电路如图2-4所示，桥式整流电路采用变压器较为普通，桥式整流电路采用的是四个整流二极管相对于一般的全波整流电路多了两个整流二极管。
由于四个整流二极管是以电桥形式连接的，所以称之为桥式整流电路。
桥式整流电路使用的整流器件较一般的全波整流电路多一倍，但是其每个器件所承受的反向电压较小，在直流稳压电源的设计当中得到广泛使用。
图2-4桥式整流电路图
综合考虑以上3种方案的优缺点，决定采用方案三：
桥式整流电路。
2.3.2滤波电路的设计
方案一：
采用电感滤波电路
电感滤波电路如图2-5所示，电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势的原理来达到滤波的目的，电感量与滤波效果成正比关系，即随着电感量的增大，滤波效果越好。
此电路的带负载能力较强，在负载电流很较大的场合一般使用滤波电路。
如果忽略电感线圈的直流电阻，负载上的直流电压与不加滤波时负载上的直流电压基本相同。
电感滤波电路输出电压没有电容滤波高。
在电感滤波电路中，峰值电流很小，整流管的导电角较大，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰，电感滤波电路用只用在低电压、大电流场合。
图2-5电感滤波电路
方案二:
采用RC滤波电路
RC滤波电路如图2-6所示，它是由两个电容和一个电阻组成，又称π型RC滤波电路。
RC滤波电路的交流波纹都分担到了增加的电阻R1上了，滤波效果的程度取决于R1和C2，随着R1和C2的增大，滤波效果越好。
但R1过大所获得的电压越大即压降过大，这将导致输出电压的减小。
因此在RC滤波电路中，一般R2应远大于R1。
图2-6RC滤波电路图
方案三：
采用LC滤波电路
LC滤波电路如图2-7所示，LC滤波电路的是结合了电感滤波电路带负载能力强和电容滤波电路纹波小的特性。
图2-7LC滤波电路图
方案四：
采用电容滤波电路
电容滤波电路如图2-8所示，此电路是根据电容的充放电原理从而达到滤波的效果。
电容滤波电路简易，负载直流电压比较高，纹波较小，它适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，使用电容滤波电路也减轻了电路设计工作。
由于电感的体积和制作成本等原因，滤波电路多采用电容滤波。
图2-8电容滤波电路
基于以上的电路对比分析，选用电容滤波电路。
2.3.3稳压电路的设计
电路中的直流电通过稳压电路提供，使其更加稳定。
整流滤波电路的输出电压并不能达到理想直流电源，主要因为两方面的原因：
第一，当负载电流发生变化时，由于整流滤波电路存在内阻，输出的直流电压将会随之发生变化；
第二，当电网电压有波动时，整流电路的输出电压与变压器副边电压有直接的关系，因此输出直流电压也会发生变化。
根据设计任务的要求，可以采用LM7805,LM7905组成所需的稳压电路。
利用固定式三端稳压器LM7805和LM7905组装的电路可对称输出±
5v的直流电压。
3硬件设计
3.1电源变压器
利用缠绕线圈互相感应的特性构成的元器件称之为变压器。
变压器应用极为广泛，电子产品中几乎无一不用变压器进行变压的。
变压器的工作原理比较简单，变压器的绕制工艺和方法会根据不同的使用场合进行改变。
一般而言，变压器的功能主要有：
稳压电压变换；
隔离；
阻抗变换等。
它是由一个初级线圈及一个次级线圈组成。
电源变压器的效率是副边功率与原边功率的比值，即
=P2/P1（3-1）
其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表3-1所示：
表3-1小型变压器的效率
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
一般根据变压器副边输出的功率P2来选取变压器。
由稳压器的要求得出变压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系。
U2的值不能取大，U2越大，稳压器的压差越大，功耗也越大。
一般取U2≥Uimin/1.1，I2>
I0max。
。
3.2整流电路
整流电路一般最多使用的桥式整流电路。
其电路如图3-1所示，这种电路，在全波整流电路中只增加两只二极管口使之形成为"
桥"
式的形式，就达到突显普通全波整流电路的优点和一定程度上克服全波整流电路缺点的目的。
因为二极管具有单向导电性，在分析整流电路工作原理时，电路中的二极管当作为开关来运用。
在桥式整流电路中，流过变压器次级的电流是正负相对称的，没有直流成分流过次级绕阻。
桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小，管子所承受的最大方向电压较低，又因电路中的负载得到了电源变压器在正负半周内部提供的电流，因此电源变压器得到了充分的利用即提高了利用效率。
图3-1桥式整流电路
1、桥式整流电路的工作原理
如图3-1所示，
因为二极管具有单向导电性，当U2为正半周时，D1、D3获得正向电压，即Dl，D3导通；
D2、D4获得反向电压，即D2、D4截止。
电路中构成RL、D3、U2、Dl通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；
反之当U2为负半周时，D2、D4获得正向电压，即D2、D4导通；
D1、D3获得反向电压，即D1、D3截止。
电路中构成RL、D4、U2、D2通电回路，同理在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。
按照上述方法重复几次，RL上就得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图3-1中可以看出，此电路中单个二极管所承受的反向电压为变压器次级电压的最大值。
如图3-2所示，经过桥式整流后，在负载电阻RL上正得到的是同一个方向的单向脉动电压。
图3-2桥式整流电路波形变化
2、桥式整流电路的参数计算
（1）输出平均电压Uo。
由Uo波形可知，桥式整流电路的输出平均电压是半波整流电路的2倍，即：
（3-2）
（2）流过每个二极管的平均电流ID。
由于D1、D3和D2、D4轮流导通，因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半，即：
（3-3）
（3）二极管承受的最高反向峰值电压URM。
当U2上正下负时，D1、D3导通，D2、D4截止，D2、D4相当于并联后跨接在U2上，因此反向最高峰值为：
（3-4）
3、单相桥式整流电路的负载特性曲线
负载特性曲线是指输出电压比上负载电流的关系曲线。
该曲线的斜率即为整流电路的内阻。
如图3-6所示：
图3-3单相桥式整流电路的负载特性曲线
3.3滤波电路
脉动直流是由交流电经过整流电路后得到，直接得到的直流电源交流纹波很大，不适合给电子电路直接供电。
因此可采用电容滤波电路降低这种交流纹波成份，进行整流后电压波形变得比较平滑，可给电子电路直接供电。
电容滤波电路，如图3-4所示：
图3-4电容滤波电路
图3-5电容滤波变化示意图
1、工作原理
如图3-5所示，若电路处于正半周，则二极管D1、D3处于导通状态，变压器次端电压U2给电容C充电。
电容C相当于与U2并联，因此输出波形与U2相同，是正弦形。
在t1到t2时刻，二极管导电，电容Ｃ充电，Uo=Uc按正弦规律变化；
t2到t3时刻二极管关断，UC=URL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；
反之，RLC减少时，导通角增加。
当ＲL很小，即IRL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。
然而，当ＲL很大，即IRL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。
因此在输出电流较小的场合适用电容滤波。
通常，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。
如果负载开路，即负载电阻趋于无穷大，电容没有形成放电回路，输出电压将保持为U2的峰值不变。
2、电容滤波电路的参数计算
（1）输出电压的估算
电容滤波电路的输出电压和电容的放电时间常数τ=RLC相关，U2的周期T应远小于τ，通常，当τ≥（3～5）T/2时，滤波电路的输出电压可按照UO≈1.2U2进行估算。
（2）因为整流二极管缩短了导通时间，存在瞬间的浪涌电流，因此要求二极管允许有更大的电流通过，即管子参数应满足:
IFM＞2IV=IO。
（3）可根据负载电阻RL的大小选择滤波电容C的容量，根据公式即
C≥（3～5）T/2RL。
（3-5）
容量偏小会影响输出电压UO的下降，因此要选择较大容量的电解电容；
电容的耐压值应考虑到电网电压波动的因素，留有一定的余量，故电容的耐压值大于U2的峰值。
由于电容滤波电路的负载能力较差，一般使用场合的负载电流都较小。
选择滤波电容时需要满足条件：
RLC≥（3-5）T/2。
电容滤波电路的输出特性曲线如图3-6所示。
从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载变化不大的场合。
图3-6电容滤波电路的输出特性曲线
3.4稳压电路
由于稳压电路会因为外界因素发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随之发生变化而不稳定。
因此，为了维持输出电压稳定不变，还需一个稳压电路。
稳压电路保证输出直流电不受电网电压、负载、外界环境温度等发生变化时而发生改变，从而维持电压的稳定输出。
3.4.1串联反馈式稳压电路
串联型稳压电路是以稳压管电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；
在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；
同时，可以通过改变反馈网络参数使输出电压可调。
图3-7串联稳压电路的基本组成电路
1、串联型反馈式稳压电路的工作原理
如图3-7可知，VO=VI-VR，当VI增加时，R因受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上减小了VI增加对输出电压的影响。
当负载电流IL增加时，R受控制而减小，使VR减小，这就在一定程度上抵消了因IL增加使VI减小，减小对输出电压的影响。
2、典型串联反馈式稳压电路
在实际电路中，可用一个三极管来替代变电阻R，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE等同于VR。
要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。
如图3-8所示，串联反馈式稳压电路由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源四个部分组成。
图3-8串联型稳压电路方框图
（1）当输入电压变化，负载电流不受影响。
若输入电压VI的增加，输出电压VO随之增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。
误差信号经放大器进行放大后，使用VO1去控制调整管的管压降VCE的增加，这样就抵消输入电压增加的影响。
其变化过程可以描述如下：
（2）当负载电流变化，输入电压不受影响。
若负载电流IL的增加，输入电压VI反而减小，导致输出电压VO下
升级会员 