串联稳压电源的计算机辅助设计与仿真_毕业设计.doc

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1、学生姓名学 号院 (系)专 业电子信息工程题 目串联稳压电源的计算机辅助设计与仿真指导教师2008年6月摘 要： 本文先简单介绍了串联稳压电源工作原理，分析了串联稳压电源设计中的注意事项并设计了一款稳压电源，详细介绍了用EWB电子电路仿真软件对串联型直流稳压电源各个部分进行仿真分析的过程。通过仿真软件中虚拟仪器和仪表观察到的电路不同部位的输入、输出电压波形,读出的输入、输出电压和电流值,判断电路工作情况,可以很快找到故障，排除故障，是较好掌握串联型直流稳压电源工作原理及辅助设计的有效途径。关键词：串联稳压电源,EWB,负反馈,调整管Abstract: This paper briefly in

2、troduced the first series power supply principle, a series of power supply design of the note and designed a power supply, described in detail by EWB electronic circuit simulation software series DC power supply in various parts of The analysis of the simulation process. The simulation software in t

3、he virtual instruments and instrument observed in different parts of the circuits input and output voltage waveform, read out the input and output voltage and current values, judgement circuit work, you can quickly find fault, troubleshooting, and a better grasp Series DC power supply design princip

4、le and supporting the effective way. Key words: Series power supply, EWB, negative feedback, adjusting the tube目 录1 引言41.1 简介41.2 分类42 串联稳压电源的工作原理42.1简易串联稳压电源原理分析42.2 串联负反馈稳压电源的工作原理62.2.1 原理分析62.2.2 调节输出电压72.2.3 增加输出电流83 串联稳压电源的设计93.1调整管的选择93.2 复合管的选择103.3 输入电压的确定103.4 确定基准电压103.5 取样电阻103.6 确定比较放大器1

5、04 串联稳压电源的仿真与分析114.1 整流电路114.2 滤波电路124.3 串联稳压电路144.4 保护电路155 串联稳压电源稳定度的改进措施155.1 改善稳定度155.2 使用恒流源负载165.3 增加电压放大部分的级数175.4 用辅助的稳定电源175.5 增加补偿电路18结束语19参 考 文 献20致 谢211 引言1.1 简介当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的

6、电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作

7、无法进行，学习就无从谈起。1.2 分类稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源等。本文主要介绍串联稳压电源的工作原理及设计注意事项，并对设计的电路进行仿真，以得到相关电路参数。2 串联稳压电源的工作原理2.1简易串联稳压电源原理分析图2.1是简易串联稳压电源，T1是调整管，D1是基准电压源，R1是限流电阻，R2是负载。由于T1基极电压被D1固定在UD1，T1发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（

8、一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以输出电压UOUD1（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。图2.1 简易串联稳压电源 下面我们分析一下串联稳压电源的稳压工作原理：假设由于某种原因引起输出电压UO降低，即T1的发射极电压（UT1）E降低，由于UD1保持不变，从而造成T1发射结电压（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

9、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这里我们只分析了输出电压UO降低的稳压工作原理，其实输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似，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。从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定；二是调整管T1要工作在放大区且工作特性要好。 其实还可以用反馈的原理来说明简易

10、串联稳压电源的工作原理。由于电路是一个射极输出器，属于电压串联负反馈电路，电路的输出电压为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一些比较简单的应用场合。2.2 串联负反馈稳压电源的工作原理 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

11、；同时由输出电压直接控制调整管的工作，造成电路的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，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。2.2.1 原理分析图2.2是串联负反馈稳压电路电路图，其中T1是调整管，D1和R2组成基准电压，T2为比较放大器，R3R5组成取样电路，R6是负载。其电路组成框图见图4.2。假设由于某种原因引起输出电压UO降低时，通过R3R5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发射结

12、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）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）CE（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反，这里就不再赘述，简单的用下图表示：UO（UT2）OUD1恒定（UT2）BE（IT2）B（IT2）E（UT2）

13、CE（UT2）C（UT1）B（UT1）CEUO 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，最终都可以用上面分析的过程说明其工作原理。图2.2 串联负反馈稳压电路在串联负反馈稳压电源的整个稳压控制过程中，由于增加了比较放大电路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，使电路的稳压性能得到增强。T2的值越大，输出的电压稳定性越好。2.2.2 调节输出电压前面我们还说到R3R5是取样电路，由于取样电路并联在稳压电路的输出端，而取样电压实际上是通过这三个电阻分压后得到。在选取R3R5的阻值时，可以通过选择适当的电阻值来使流过分

14、压电阻的电流远大于流过T2基极的电流。也就是说可以忽略T2基极电流的分流作用，这样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滑动到最上端时T2基极电压（UT2）B为： 此时输出电压为： 这时的输出电压是最小值。 当R4滑动到最下端时T2基极电压（UT2）B为： 此时输出电压为： 这时的输出电压是最大值。 以上计算中，当（UT2）BEUD1时可以忽略（UT2）BE的值。 通过上面的计算我们可以看出，只要合适选择R3R5的阻值就可以控制输出电压UO的范围，改变R3和R5的阻值就可以改变输出电压UO的边界值。2.2.3 增加输出电流 当输出电流不能达到要求时，可以通过采用复合

15、调整管的方法来增加输出电流。一般复合调整管有四种连接方式，如图2.3所示。图2.3 复合管 图2.3中的复合管都是由一个小功率三极管T2和一个大功率三极管T1连接而成。复合管就可以看作是一个放大倍数为T1T2，极性和T2一致，功率为（PT1）PCM的大功率管，而其驱动电流只要求（IT2）B。 图2.4是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图427（a）中的复合管连接方法来增加输出电流大小。另外还增加了一个电容C2，它的主要作用是防止产生自激振荡，一旦发生自激振荡可由C2将其旁路掉。图2.4 串联负反馈稳压电源电路3 串联稳压电源的设计3.1调整管的选择 调整管必须满足以下3个条件: (

16、1)集电极最大允许电流必须大于负载电流; (2)集一发仅向未穿电压必须大雨加在掂整管上的最大电压; (3)集电极最大允许耗散功率必须大于调整管的管耗。 在稳压电源中,第一个条件横亘容易确定,也很容易满足。在稳压电路正常工作时,调整管的管压降是不大的。若负载短路=0,这时管压降最大,近似认为 =1的管子即可,式中是在点网电压最高时的有载整流电压。 调整管的最大功耗发生在输电压最大,负载电压最低,输出电流最大的时候。 =(-)(+) 即选择=即可,式中是稳压管的分流电流，包括基准稳压管电流。3.2 复合管的选择 当负载电流值很大，那么调整管的基极控制电流=/仍然较大，则比较放大器无法直接推动，如果

17、0.5毫安，通常调整管需采用复合管，=/，如果0.5毫安，就可以认为能够被比较放大管所推动。泄露电阻的阻值一般取数+K到数百K即可。3.3 输入电压的确定 输入电压的选择不合理,必定会影响其性能,如果太低,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。为了保证调整管工作在放大区,一般取=38伏即可。则输入电压为=+。3.4 确定基准电压 (1)选择稳压管 为了使取样电压更好地反映出输出电压的变化,取样电压应适当选择高些,因为基准电压应取值大些,一般取分压比N=/=0.50.8。 (2)计算限流电阻,可由下式计算: =(-)/(为

18、稳压管的稳定电流)3.5 取样电阻通常取样电路的电流量为最大输出电流的0.5%,于是可求取样电路的总电阻为=+=/(*0.05)然后再根据分压比N的要求,确定,和的阻值。3.6 确定比较放大器 (1)集电极电阻由于=-=-0.7=+通常可取=2,则=/=/3=(-0.7)/( 3/)(2)误差放大管 误差放大管的集一射极间的电压为 =+-选取,的小功率管即可。通常,尽管选用值大的三极管,以减比较小放大管的基极电源。4 串联稳压电源的仿真与分析 完整的串联型直流稳压电源一般分为四个部分:(1)整流电路,(2)滤波电路,(3)串联稳压电路,(4)保护电路.4.1 整流电路如图4.1所示。图4.1

19、桥式整流仿真电路仿真分析可知,四个整流二极管只要任何一个开路,桥式全波整流就会变成半波整流,输出电压的平均值=0.45;而四个整流二极管全部正常时,电路为全波整流,输出电压的平均值=0.9,仿真结果与理论分析一致,如图4.2、4.3 图4.2 输入电压 图4.3 半波整流4.2 滤波电路图4.4 电容滤波仿真电路如图4.4整流电路接入滤波电容后,由于电容能够存储电荷,可使输出电压变的平滑,纹波显著减少,同时输出电压的平均值也增大了。输出电压平均值的大小与滤波电容C及等效负载R的大小有关,C的容量一定时,R越大,C的放电时间常数就越大,其放电速度越慢,输出电压就越平滑, 的值就越大.当R开路时,

20、输出电压平均值: =1.414。为了获得更好的滤波效果,一般取RC=(35)T/2,式中T为交流电源周期,此时输出电压的平均值: =1.2从下图可以看出,在负载R一定时,滤波电容C越大其放电速度越慢,输出电压就越平滑,输出电压平均似就越大。滤波电容C一定时,等效负载R越大输出电压也越平滑,输出电压平均值也越大。当整流二极管其中之一开路时,输出电压波形的脉动程度增大,输出电压平均值变小。 图4.5 双电容接通时候的输出波形 图4.6 一个电容开路时的输出波形4.3 串联稳压电路图4.7串联稳压仿真电路如图4.9所示,是一个串联稳压电源的仿真电路,通过仿真分析可知,输出电压波形已变成一条直线,进一

21、步减小了输出电压中的脉冲成分。并且向上,向下调节滑动变阻器时可调节输出电压值,与理论值基本一致。 图4.8串联稳压电路输出电压的波形图通过仿真分析与测量,我们得出以下数据:输入电压为18V,经过整流滤波后的电压为22.68V,最后稳定后的电压为10.88V。输入电流约1.84A,而最后稳定时的输出电流约为4.45mA。通过计算可得出，输入时候的电阻为12.33，而最后稳定输出时候的电阻约为2.45K。4.4 保护电路 图4.9 限流型保护电路在串联型稳压电路中,由于调整管与负载相串联,因此当过载时,特别是输出端短路时,调整管将要承受全部输入电压和流过很大的电流,致使调整管功耗剧增而烧毁。所以需

22、要对调整管加以保护。保护电路通常有限留型保护电路和截流型保护电路。这里以限流型保护电路为例,介绍保护电路的分析。如图4.11就是一个限流保护管,在串联型稳压电路过流时起保护作用。 图4.10保护电路输出电压波形图可知输出的电压是一条直线。通过分析可以知道,当负载电阻减小时,输出电压的平均值减小,但是电流基本不变,起到了保护的目的。5 串联稳压电源稳定度的改进措施5.1 改善稳定度 一般改善稳定度的方法有：使用恒流源负载、增加电压放大部分的级数、采用辅助的稳定电源、增加补偿电路等方法。5.2 使用恒流源负载 由于串联负反馈稳压电路是通过输出电压的变化量，经放大后来调节调整管的管压降达到稳压的目的

23、。当放大倍数越高，电源的稳定度就越高。对于三极管放大器，当集电极电阻越大同时输入电阻越小时，放大倍数就越大。但集电极电阻过大会造成集电极电流过小，会造成输入电阻增大。为解决这个矛盾，可以使用恒流源负载代替集电极电阻。 图5.1是一种使用三极管恒流源的稳压电路。图中虚线框内的T4、D2、R6、R7组成恒流源电路，作为T3发射极负载。图5.1使用三极管恒流源的串联负反馈稳压电源电路图 图5.2是使用恒流二极管作为恒流源的稳压电路。恒流二极管一种能在比较宽的电压范围内提供恒定电流的半导体器件。由于具有直流等效电阻低、交流动态阻抗高、稳定系数小、直流电压降可调的优点。因此可用于代替图5.1中的三极管恒

24、流源。图5.2使用恒流二极管的串联负反馈稳压电源电路图 图5.3是使用场效应管作为恒流源的串联负反馈稳压电路。由于结型场效应管具有类似恒流二极管的特性，当漏极D接到整流滤波后的电压，栅极G与源极S连接后接到放大管T3的集电极时，场效应管就成了放大管T3的集电极恒流源负载。图5.3使用场效应管恒流源的串联负反馈稳压电源电路图5.3 增加电压放大部分的级数 由于当放大电路的放大倍数越高时，电源的稳定度就越高。一般单管放大电路的放大倍数有限，可以采用增加放大电路级数的方法来提高放大倍数，这样也可以大大提高电源的稳定度。不过增加放大电路的级数后，电路更容易产生自激振荡，在设计放大电路时需要采取手段避免

25、电路产生自激。由于增加电压放大级数不可避免的增加了电路的复杂程度，一般分离元件制作的稳压电源中较少使用此方法。5.4 用辅助的稳定电源 在基本形式的串联负反馈稳压电路中，放大管T3的集电极电路R1直接连接到经整流滤波后的电压上。由于这个电压不是稳定的电压，当其发生变化时，其变化量会加到调整管的基极，进而影响输出电压稳定度。可以通过将R1接入到一个稳定电压的方法来避免这种影响。图5.4中，D2、R6组成辅助稳压电源，负责向R1提供稳定的电压。这种形式的稳压电路通常用在大输出电流的稳压电源中，可以显著提高电源的稳定度。图5.4使用辅助电源的串联负反馈稳压电源电路图5.5 增加补偿电路 由于串联负反

26、馈稳压电路是通过输出电压的变化量来控制稳定度，那么可以直接使用输入电压的波动或者负载电流的波动来进行补偿控制，理想状态下可以达到补偿效果正好等于输出电压的变化量。但由于补偿量的计算比较复杂，实际电路中受各种因素影响，补偿效果也难以达到要求。一般较少采用此方法，多为针对特定电路采取的临时措施。结束语综合上面的叙述,通过采用EWB电子仿真软件对串联型支流稳压电源各部分进行仿真研究,可以直接从仿真软件中观察串联型稳压电源各个不同部分的输入输出波形,读出输入输出电压值,输入输出电流值等等。对于进行电路设计和分析的人员,特别是维修电子设备的人员是一个很大帮助。通过EWB可以很方便的查找故障并进行排除,非常的简单省时。对于学习的人来讲也是很好的,既方便又直观,能够很清晰的了解电路的内部各个结构。EWB软件功能齐全,元器件充足,是一个很好的仿真软件。学会使用EWB也是现在学习电子电路的学生和进行电路分析的技术人员必备的一个技能!参 考 文 献1 黄继昌，张海贵；实用单元电路及其应用；人民邮电出版社；2000，11 2 张占松，蔡宣三；开关电源的设计与原理；电子工业出版社；2004，09 3 叶慧贞，杨兴洲；新颖开关稳压电源；国防工业出版社；1999，09 4 黄进；电力电子装置的计算机辅助分析；浙江大学出版社；1994，07 5 Pecker；直流稳压电源技术；网络资料；2007，02致 谢