1、 I 基于 Multisim直流稳压 电 源设计 春芽电子科技 春芽 ing 摘要 电源是所有电子设备的基础，没有电源所有的电子设备都无法正常运行，因此研究电源电路的课题非常有意义，特别是直流稳压电源。本课题主要研究串联负反馈直流稳压电源，分别从工作原理，硬件电路设计，仿真分析等方面深入研究。然后运用 Multisim 仿真软件进行电路分析，很容易读出各部分电流电压，输入输出波形，判断电路工作情况，进而完善硬件电路，实现直流稳压电源设计。 关键 词： 直流稳压电源， Multisim仿真，串联负反馈 Abstract Power supply is the basis of all elect
2、ronic equipment, no power supply all of the electronic equipment can not be normal operation, so the study of the power supply circuit is very meaningful, especially the DC regulated power supply. This topic mainly studies the series negative feedback DC regulated power supply, from the working prin
3、ciple, the hardware circuit design, simulation analysis and so on. Then the circuit analysis using Multisim software, it is easy to read each part of current and voltage, input and output waveform, to judge the work of circuit, and to improve the hardware circuit design of DC power supply. Keywords:
4、 DC regulated power supply, Multisim simulation, series negative feedback II 目 录 摘要 . I Abstract . I 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 课题研究意义 . 1 1.3 课题主要内容 . 2 2 Multisim 仿真软件介绍 . 2 2.1 Multisim 仿真 软件发展 . 2 2.2 Multisim 仿真 软件特点 . 2 2.3 Multisim 软件 仿真 分析 . 4 3 串联稳压电源原理分析 . 4 3.1 简易串联稳压电源 . 4 3.2 串联 负反馈 稳压
5、电源 . 5 3.2.1 工作原理分析 . 5 3.2.2 调节输出电压 . 6 3.2.3 增加输出电流 . 6 4 串联稳压电源设计 . 8 4.1 确定 调整管 . 8 4.2 确定 复合管 . 8 4.3 输入电压的确定 . 8 4.4 确定基准电压 . 8 4.5 确定 取样电阻 . 8 4.6 确定比较放大器 . 9 5 串联稳压电源仿真分析 . 9 6 总结与展望 .10 参考文献 . 11 致 谢 .12 第 1 页 共 13 页 1绪论 1.1课题研究背景 电力电子技术 如今已经发展成为 一门自成体系的、完整的高科技技术，电源技术 就 属于电力电子技术 方面 。 众所周知 电
6、源技术主要服务 于 信息产业，信息技术的 快速 发展对电源技术提出要的求 越来越 高， 直接 促进电源技术 蓬勃 发展，两者相辅相成 成就 现 如 今 飞速 发展的信息产业和电源产业。从日常生活 电器 到最尖端的 飞机导弹 都离不开电源技术 基础 支持，而电源技术 的提高意味着 一个国家劳动生产率水平 的提高 ，即一个国家单位 能耗 的产出水平 的 提高， 因此国民经济电源技术 具有举足轻重的作用。在这方面我国与世界先进国家的 水平还有 差距，作为电源 技术学习 者，不仅应该完成 课题安排的内容 ，还 应该 通过各种信息渠道及时掌握电源技术最新发展方向 和 相关的元器件的最新发展 技术 ， 学
7、习 国内外先进的薄膜工艺、厚膜工艺、集成化工艺等 1。 电源设备 是 实现电能变换和功率传递 的产品 ，技术含量高、知识面宽、更新换代快。 然而 电力电子技术的发展带动电源 新 技术的发展，电源 新 技术的发展有效地促进电 源产业的 蓬勃 发展。 目前 为止电源 已经算是 重要的基础科技和产业，广泛应用于各行 各 业， 朝着 高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化 方向发展 。同时 电源的 封装结构、外形尺寸 也向 国际标准化 迈进 ， 更容易 适应全球一体化的市场 需求 2。 电源是 介于 市电与负载 中 间，向负载提供 持续不断 电能的供电设备 , 是 一切工业的基础。 现在 电源技
8、术 交叉 应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术 等 多学科技术。随着科学技术的 迅速 发展，电源技术与材料科学、现代控制理论、电机工程、微电子技术等许多 技术 领域 关系 。 因此 电源技术 慢 慢 发展为一门多学科相互渗透的综合性学科 ， 对电子仪器、电力工程、计算机、现代通讯、工业自动化、国防及某些 电源 新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源 发挥举足轻重的 作用 3。 目前 许多高新技术 都与交流电源的 波形电压、相位、频率、电流等参数的变换和控制 有 关， 只有 电源技术能够 完成 对这些参数的精确控制和高效率处理，特别是大功率 电源 的频率变换， 可以
9、为很多 高新技术的 快速 发展提供 保障 。 所以 电源技术本身不但是一项高新技术，而且还是其他 很多 高新技术的 坚实 基础。电源技术产业 链不断向前 发展 将有利于大大 节约电能、降低材料消 耗 和大幅度 提高生产效率，为现代 便捷的 生活 和现代化产业 带来 积极的进步 。 由此 不难看出 ，电源技术的 不断 创新 必将 促进电源技术迅速发展， 进而为 生产 生活 和科技进步做出 巨大 贡献。 因此， 电源技术和电源设备将成为 二十一 世纪的主导技术和主流产品 4。 1.2课题研究意义 如今 社会 大众都享受到形形色色 电子设备 给生活 带来的 方便 ，但是 所有 电子设备都 必须有 电
10、源电路 这个共同的组成部分 。大到 功能强大的 计算机、小到 微型的 计算器，所有的电子设备 都必须有 电源电路 保证 才能正常 运行 。 然而 这些电源电路的 大小 、 难易 程度 各不相同 。 功能强大的 计算机电源 电路 可能是 是一套 特别复杂的电源 管理 系统。 通过 电源 管理 系统 运行 ， 功能强大 计算机各 模块才可以 得到稳定持续、符合各种规范 要求 的电源供应。 微型 计算器 则具有纽扣 电池电源电路。不过这个 纽扣 电池电源电路 也很复杂 ， 最新的电池 电路 已经 具备掉电保护 、电池能量提醒等 许多 功能。 因此 可以说电源电路 绝对 是一切电子设备的基础 电第 2
11、 页 共 13 页 路 ，没有电源电路就不会有 出现 如此 品种多样 的电子设备 5。 因为 电子 设备 的 技术 特性， 所以要求 电源电路的 必须 能够 保证 稳定持续、满足负载要求的电能， 当然一般 情况下都 是 要求 具有 稳定的直流电能。提供 如此 稳定的直流电能的电源 便是课题所研究的 直流稳压电源。 众所周知， 直流稳压电源在电源技术中占有 无足轻重 的地位 ，许多 电子 专业学生初学电子设计首先就 要解决 直流稳压 电源问题，否则 电子 电路无法 运行 、电子制作 无从谈起 6。 1.3课题主要内容 直流 稳压电源 有很多种 分类方法，按电路类型 可以分为 简单稳压电源和反馈型
12、稳压电源 ； 按调整管的工作状态 不同可以 线性稳压电源和开关稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式 不同可以分为 串联稳压电源和并联稳压电源；按输出电源的 不同可以 分 为 直流稳压电源和交流稳压电源等。本课题主要 研究 串联 反馈型稳压电源的工作原理及 电路 设 计注意事项， 然后运用 Multisim 仿真软件对硬件电路进行仿真 分析 ， 与理论计算数值相比较 得到 实际 电路参数 7。 2 Multisim仿真软件介绍 2.1 Multisim仿真 软件发展 Multisim仿真软件前身是加拿大图像交互技术公司推出的 EWB软件， 二十世纪九十年代就在我国得到迅速推广，受到广大电子行业技
13、术人员的青睐。Multisim仿真软件可以对模拟电路、数字电路、电工电路、射频电路、单片机电路等许许多多电路进行仿真，克服传统电子设计客观局限性，选用 Multisim 仿真软件的虚拟元器件搭建各种电子电 路，用虚拟仪表进行各种参数和性能指标的测试，费用少效率高，而且结果快速、准确、 直观 8。 2.2 Multisim仿真 软件特点 （ 1） Multisim 软件 采用直观图形界面创建电路，操作 简便 。整个操作界面如同一个实验平台，软件中的仪器控制面板和操作方式都与实物相似 ， 测量数据、波形和特性曲线直观形象 ， 连线方便、简单易学。 如图 2.1所示。 图 2.1 Multisim
14、操作界面 （ 2） Multisim 软件元器件库有 13000 多 种 元器件 供用户选择 。 虽然 元器件库 看起来很大 ，但被分 成 不同系列 元器件 ， 因此查找 元件 特别方 便 。 元件 库中的每一个器件都有具体的符号、仿真模型和封装，用于电路图的建立、仿真和印刷电路板的制作。还有 许多 虚拟元器件、交互元器件、额定元器件、指示元器件和三维立体元器件 ， Multisim元件库如图 2.2所示 9。 第 3 页 共 13 页 图 2.2 Multisim 元件库 （ 3） Multisim软件还提供失真分析仪、逻辑分析仪、波特分析仪、频率计数器、安捷伦仪器、函数信号发生器、数字万用
15、表、网络分析仪、频谱分析仪、瓦特表和数字信号发生器等 十八 种虚拟仪器，所有仪器功能不仅与实际仪器功能相同，而且控制面板外形和操作方式与实际 基本 相同 。 （ 4） Multisim 软件元器件放置迅速和连线简捷方便。在虚拟 仿真 平台上建立硬件电路的仿真，相对比较耗费精力的步骤是放置元器件和连线 ， 但是 初学者 几乎不需要指导就可以轻易地完成元器件的放置 、 元器件的连线，只 是 单击两个元器件引脚就可以完成电路连接。当元件发生移动和旋转时 电路 仍可以保持它们的连接，同时连线可以随意拖动和微调。 （ 5） Multisim 软件既可以对模拟、数字电路进行仿真还可以对模数混合电路进行仿真
16、 ， 还提供 RF 射频电路的仿真，提供专门用于射频电路仿真的元器件模型库和仪表，因此搭建射频电路并进行实验非 常方便，仿真电路准确性也很高。 （ 6） Multisim 软件 兼容性好。 Multisim 作为电路硬件仿真设计工具，可以与流行的电路分析、设计和制板软件交换数据 ， 比如 Protel99SE、 SPICE等。 （ 7） Multisim 软件具有 强大的电路分析能力，实时显示测量结果。 Multisim 不但提供虚拟仪表，为了更好地掌握电路的性能，而且提供失真分析、噪声分析、直流工作点分析、交流分析、温度扫描分析、傅里叶分析、传输函数分析、用户自定义分析和最坏情况分析等 十九
17、 种分析，这些分析方法足够满足电子电路的分析和设计要求，如 果是在实际电路设计行业有些分析功能是无法实现的。 （ 8） Multisim软件具有 强大的作图功能，可以将仿真分析结果进行显示、调节、存储、打印和输出。使用作图器还可以对仿真结果进行测量、设置标记、重建坐标系以及添加网格。所有显示都可以被 Excel以及 LabVIEW软件调用。 （ 9） Multisim软件 利用后处理器对仿真结果和波形进行传统的数学和工程运算。如代数运算、布尔运算、算术运算、三角运算、矢量运算和复杂的数学函数运算。 （ 10） Multisim是良好的电子技术训练工具，利用虚拟元器件、仪器可以用比实验室 中更灵
18、活的方式进行电路实验，仿真硬件电路的实际运行情况，熟悉常用仪器测量方法。能够完美解决传统电子实验过程中不便进行开路、短路、漏电和过载观测等问题，非常适合电子类课程的仿真教学和实验 10。 第 4 页 共 13 页 2.3 Multisim软件 仿真 分析 Multisim软件的功能主要体现在硬件电路分析方面，可以提供 十九 种仿真分析功能，电子设计者可根据仿真电路、仿真目的和功能要求任意选择。仿真分析类型 有直流工作点分析、 交流频率分析 、 瞬态分析 、 傅里叶分析 、 噪声分析 、 直流扫描分析 、 参数扫描分析 、温度 扫描分析 、传递函数分析等如图 2.3所示。 图 2.3 Multi
19、sim 仿真分析类型 3串联稳压电源原理分析 3.1简易串联稳压电源 简易串联稳压电源如图 3.1所示， D1 是基准电压源， T1 是调整管， R1 是限流电阻， R2是负载 电阻 。由于 T1基极电压被 D1固定在 UD1， T1发射结电压（ UT1）BE 在 T1 正常工作时基本是 不变的 固定值（一般硅 二极 管为 0.7V，锗 二极 管为0.3V），所以输出电压 UO UD1（ UT1） BE。当输出电压远大于 T1 发射结电压时，可以忽略（ UT1） BE，则 UOUD1。串联稳压电源的稳压工作原理 如下。 图 3.1简易串联稳压电源 假如 由于某种原因引起输出电压 UO降低，即
20、T1 的发射极电压（ UT1） E降低，由于 UD1保持不变，从而造成 T1 发射 极 电压（ UT1） BE 上升，引起 T1 基极电流（ IT1） B上升，从而造成 T1 发射极电流（ IT1） E被放大 倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时 T1 导通更加充分管 压降（ UT1） CE将迅速减小，输入电压第 5 页 共 13 页 UI 更多的加到负载上， UO 得到快速回升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示： UO（ UT1） EUD1恒定 （ UT1） BE（ IT1） B（ IT1） E（ UT1） CEUO 当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再
21、重复，只是简单的用下面的变化关系图表示： UO（ UT1） EUD1恒定 （ UT1） BE（ IT1） B（ IT1） E（ UT1） CEUO 上述只是 分析输出电压 UO降低的稳压工作原理， 还有 输入电压 UI降低等其他情况下的稳压工作原理 都是 类似 分析 ，最终都是反应在输出电压 UO降低上，因此工作原理大致相同。 从 上述 电路的工作原理 不难得出 稳压的关键有两点：一是稳压管 D1 的稳压值 UD1要保 证 稳定；二是调整管 T1 要工作在放大区且工作特性 良 好。其实还可以用反馈的原理来说明简易串联稳压电源的工作原理。由于电路是一个射极输出器 是 电压串联负反馈电路，电路的输
22、出电压为 UO（ UT1） E（ UT1） B，由于（ UT1）B保持稳定，所以输出电压 UO也保持稳定。 简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源 D1，所以 当需要改变输出电压时只有更换稳压管 D1，这样调整输出电压非常不方便。另外由于直接通过输出电压 UO的变化来调节 T1 的管压降 （ UT1） CE，这样控制作用较小，稳压效果还不够理想 ， 因此这种稳压电源仅仅适合比较简单的 电路 应用场合。 3.2串联 负反馈 稳压电源 由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值的限制无法调节，当需要改变输出电压时必须更换稳压管，造成电路的灵活性较差；同时由输出电压直接控制调整管的工作，造成电路的
23、稳压效果也不够理想。所以必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大 后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这种稳压电源叫做串联负反馈稳压电源。 3.2.1工作原理分析 串联负反馈稳压电路 如 图 3.2所示 ，其中 D1 和 R2组成基准电压， R3 R5组成取样电路， T2 为比较放大器， T1 是调整管， R6 是负载 电阻 。 假如由于某种原因引起输出电压 UO降低时，通过 R3 R5 的取样电路，引起 T2 基极电压（ UT2） O成比例下降，由于 T2 发射极电压（ UT2） E受稳压管 D1的稳压值控制保持不变，所以 T2 发射
24、结电压（ UT2） BE将减小，于是 T2 基极电流（ IT2） B减小， T2 发射极电 流（ IT2） E跟随减小， T2 管压降（ UT2） CE 增加，导致其发射极电压（ UT2） C 上升，即调整管 T1 基极电压（ UT1） B 将上升， T1管压降（ UT1） CE减小，使输入电压 UI更多的加到负载上，这样输出电压 UO就上升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示： UO（ UT2） O UD1恒定（ UT2） BE（ IT2） B（ IT2） E（ UT2）CE（ UT2） C（ UT1） B（ UT1） CE UO 当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反，这里就不再
25、赘述，简单的用下图表示： UO（ UT2） O UD1恒定（ UT2） BE（ IT2） B（ IT2） E（ UT2）CE（ UT2） C（ UT1） B（ UT1） CE UO 与简易串联稳压电源相似，当输入电压 UI 或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压 UO的相应变化，最终可以用上面分析的过程说明其工作原理。 第 6 页 共 13 页 图 3.2串联负反馈稳压电路 串联负反馈稳压电源电路的整个稳压控制过程中，因为增加比较放大电路T2，输出电压 UO的变化经过 T2 放大后再去控制调整管 T1 的基极 输出 ，使 得电源 电路的稳压性能得到 提高 。 T2 的 值越大 稳压电源 输
26、出电压稳定性越好 11。 3.2.2调节输出电压 如图 3.2 所示 取样电路 并联 于直流 稳压电路的输出端 ，主要是由 R3、 R4、R5 组成 ， 其实 取样电压 就是 三个电阻分压后得 出 。 当 选取 R3、 R4、 R5 三个 阻值时 可以通过选择适当的电阻值来使流过分压电阻的电流远大于流过 T2 基极的电流 ， 也就是说 T2 基极电流的分流作用可以 直接 忽略， 于是就 可以用电阻分压的计算方法来确定 T2 基极电压（ UT2） B。 当 R4 电位器调 到最上端时 T2 基极电压（ UT2） B为： 输出电压为： 此时 输出电压是最小值。 当 R4 电位器调 到最下端时 T2
27、 基极电压（ UT2） B为： 输出电压为： 此时 输出电压是最大值。 通过上面的计算 当（ UT2） BE COMAXU 三极管 ，式中 MAXU 是在点网电压最高时的有载整流电压。 调整管 输电压最大 时 产生 功耗 最大 ，负载电压 此时 最低，输出电流 此时 最大 MAXP =( MAXU - MINU )( MAXI + I ) 即选择 IMP = CMAXP 三极管 ,式中 I 是稳压管的分流电流，包括基准稳压管电流。 4.2 确定 复合管 当负载电流 OI 值很大， 如果 调整管的基极控制电流 1bI = oI / 还是比 较大，则比较放大器无法直接推动， 比如 1bI 0.5m
28、A 通常调整管需要采用复合管，2bI = oI / 12 ， 如果 2bI 0.5mA 就能够被比较放大管所推动。 4.3 输入电压的确定 如果 输入电压 iU 选择不 符合要求 必定会影响其性能 ， 如果 iU 太低则稳压电源的稳定范围不够 ， 容易产生 调整管饱和 ； 如果 iU 太高 ， 则管压降增大 ， 调整管功耗增大 ， 电源效率下降 ， 体积也增大 。 为 保证调整管工作在放大区 ， 一般取1cmU =38V即可 ， 则输入电压为 iU = iU + oU 。 4.4确定基准电压 选择 合适的 稳压管 能 使取样电压更好地 反映出 输出电压 oU 的变化 ， 因此取样电压应适当选择高一点 ， 因为基准电压 DZU 取 值 更应该大一点 ， 通常情况下 取分压比 N= DZU / oU =0.50.8。 限流电阻 zR 计算 方式如下 zR =( oU - DZU )/ DZI ( DZI 为稳压管的稳定电流 ) 4.5确定 取样电阻 一般情况下取样电路的电流量为最大输出电流 0.5%，则取样电路的总电阻 R = 1R + wR + 2R = oU /( maxcI *0.05) 然后可以 根据分压比 N 的要求 来 确定 1R ， wR 和 2R 电 阻值。
