基于PSPICE的直流穩(wěn)壓電源電路仿真分析資料

1、word文檔可自由復(fù)制編輯基于PSPICE的直流穩(wěn)壓電源電路仿真分析現(xiàn)代生活中電源的應(yīng)用十分廣泛，大部分的電子、電氣設(shè)備，都必須有電源給其提供能量，它 才能工作。因此電源是所有電子設(shè)備必不可少的組成部分，電源的產(chǎn)生，使電子輕工業(yè)，特別是 電子計(jì)算機(jī)、家用電器、實(shí)驗(yàn)儀器儀表等現(xiàn)代社會(huì)生活中必不可少的組成部分得到了快速發(fā)展， 并促進(jìn)了人類生活方式的變革。本文將簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)并分析一種線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)原理、工作 原理及參數(shù)計(jì)算仿真結(jié)果，并給出其技術(shù)指標(biāo)。一、直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)要求輸出電壓Vo=612V連續(xù)可調(diào)紋波電壓 =10mV概述本題所設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)設(shè)定，該電源可用作實(shí)驗(yàn)用電壓源或

2、生活中的充 電及收音機(jī)、錄音機(jī)的電源；該電源制作成本低，效果好穩(wěn)定性高，且?guī)в邪踩Ｗo(hù)裝置。缺點(diǎn) 就是體積較大、笨重，不便于攜帶。但從總的方面來(lái)說(shuō)，利大于弊，我們把它用在該用的地方， 就能發(fā)揮它應(yīng)有的作用，更好的為我們服務(wù)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸進(jìn)入電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。模擬電路中的 電路分析、數(shù)字電路中的邏輯模擬，甚至是印制電路板、集成電路版圖等等都開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)輔 助工具來(lái)加快設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)成功率。而大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得原始的設(shè)計(jì)方法無(wú)論 是從效率上還是從設(shè)計(jì)精度上已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前電子工業(yè)的要求，所以采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)完 成電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)勢(shì)在必行。同時(shí)，微機(jī)

3、以及適合于微機(jī)系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的迅速發(fā)展 使得計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成為提高電子線路設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量的不可缺少的重要工具。在電 路設(shè)計(jì)工作方面，最初使用的是Protel公司DOS版本的Tango軟件，在當(dāng)時(shí)這一軟件被看作是多 么的先進(jìn)，因?yàn)樵谶@以前沒(méi)有人能像電腦那樣快速、準(zhǔn)確的畫(huà)出電路圖，制出電路板。如今，隨 著Windows95/98及NT操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，一些更方便、快捷的電路設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生。如：Tang。 Protel、OrCAD、PSpice Electronics Workbench VeriBest、PAD2000等。直流穩(wěn)壓電源的三種解決方案及方案論證設(shè)計(jì)的要求是，輸出電

4、壓：652V連續(xù)可特調(diào)，輸出紋波電壓不小于 10mVo要實(shí)現(xiàn)這一電 源的指標(biāo)，可以設(shè)想出許多的方案，通過(guò)論證選取最佳方案。方案的設(shè)想方案一：經(jīng)分析與查找資料，可采用自激式穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源。穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的電路原理圖如 下圖所示：L2VOFF =VAMPL = FREQ =反饋控制-調(diào)整驅(qū)動(dòng)C3CAPQ11R1001CHOKE HASH-FEFRITED3DbreakR3RESISTOR VARR2 R圖1-1方案二：可采用線性直流穩(wěn)壓電源，取樣放大運(yùn)用集成運(yùn)算放大器，電路原理圖如下QbreakNU2A1k1Vac50Vdc4TN33 20 11 2P90DB102C6C4CAPAD8073/SO 6

5、1R7R51kPORTLEFT-L1nCbreak1R4DbreakD6R61kC5CAP圖1-2方案三：可采用三極管構(gòu)成的取樣放大的線性直流穩(wěn)壓電源，具電路原理圖如下Q6圖1-3方案論證從圖可以看出，方案一不需要經(jīng)過(guò)變壓器降壓，其原理是通過(guò)把經(jīng)過(guò)整流濾波后的脈動(dòng)直流通過(guò) 開(kāi)關(guān)三極管的導(dǎo)通與截止變成方波脈沖，通過(guò)控制方波的脈寬（即 PWM脈寬調(diào)制）實(shí)現(xiàn)降壓與 穩(wěn)定輸出。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是：省去了笨重的變壓器，使得其體積的重量大大減小，而且開(kāi) 關(guān)三極管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，因此其效率得到了大大的提高，達(dá)到 90%以上。但是，制作開(kāi)關(guān) 電源較難，其電路本身較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，且存在紋波電壓較大的缺點(diǎn)

6、（Vdd100mV）,鼓不合本題的設(shè)計(jì)要求。方案二使用變壓器降壓，采用運(yùn)放進(jìn)行取樣放大，制作調(diào)試簡(jiǎn)單，輸出電壓精度高，紋波電 壓小。該電路由于調(diào)整管的原因，效率較低（一般只有40%）,電壓覆蓋范圍窄，變壓器體積大笨重，且運(yùn)放需要雙電源供電，此項(xiàng)使運(yùn)放的運(yùn)用受到了限制。方案三與方案二大部分相同，不同之處是方案三運(yùn)用了三極管作為取樣放大，該電路不足之 處同樣是體積大、笨重，效率低，電壓覆蓋率窄；其輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出紋波電壓較小，而 滿足設(shè)計(jì)要求，且電路簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，方便、簡(jiǎn)單、快捷。因此，該方案是首選的最佳方案。電路的組成及其工作原理電路的組成電路的審計(jì)思路是：220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓

7、后得到 15V左右、50Hz的交流電壓， 經(jīng)四個(gè)整流二極管組成的整流橋進(jìn)行全波整流后，變成正電壓，再經(jīng)濾波，成為有紋波的脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)調(diào)增管調(diào)整輸出電壓（即穩(wěn)壓）,得到穩(wěn)定的直流電壓輸出，其流程及電壓波形如圖1-4所示。圖1-4電路的工作原理如圖1-3所示，電路由降壓、整流、濾波電路，穩(wěn)壓的啟動(dòng)、取樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整及過(guò) 壓保護(hù)組成。市電電壓u1經(jīng)過(guò)工頻變壓器T1A降壓，得到平均值約15V左右的交流電壓u2,降壓后的電 壓經(jīng)過(guò)有四個(gè)二極管組成的整流橋進(jìn)行全波整流后得到正向電壓u3,再經(jīng)2200uF鋁電解電容濾波，濾波的作用就是交流變成平滑的脈動(dòng)直流，其工作原理是當(dāng)加到電容的電壓u3上升時(shí)，

8、對(duì)電容器充電，一直充到峰值，當(dāng)u3下降時(shí)，電容器對(duì)負(fù)載放電，當(dāng)電容器放電電壓沒(méi)下降多少， u3第二個(gè)峰值電壓又到來(lái)了，電容又充電如此反復(fù)，從電容器輸出的電壓變得較平滑了。之后就 是穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路中的 R3作為啟動(dòng)的電阻，經(jīng)濾波電容的電流流過(guò) R3,進(jìn)入Q8和Q6組 成的復(fù)合調(diào)整管的基集，使復(fù)合管正偏導(dǎo)通，給負(fù)載供電。該電源之所以叫直流線性穩(wěn)壓電源就 是因?yàn)檎{(diào)整管工作在線性放大區(qū)。以下介紹其穩(wěn)壓過(guò)程及各元器件的作用。如圖1-3所示，電阻R和R8作為取樣電阻，電阻R5為穩(wěn)壓管D3提供反向擊穿電壓，使D3 工作在擊穿區(qū)，穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓在 5.1V,該參數(shù)的設(shè)定后面要敘述。當(dāng)負(fù)載電壓升高時(shí)，取樣電

9、 阻的電流變大，電阻兩端的電壓相應(yīng)升高，取樣三極管Q7的基集取到的電壓與其發(fā)射極電壓比較，之后三極管把升高的那一部分電壓進(jìn)行放大，隨后Q7集電極流增大把調(diào)整管的基集電流分流，調(diào)整管基集電流減少，工作點(diǎn)往下移，有三極管輸出特性曲線可知Q6的集電極-發(fā)射極電壓升高，故負(fù)載分得的電壓降低，因此負(fù)載兩端電壓下降，輸出電壓恢復(fù)平衡。反之，當(dāng)輸出電壓 下降時(shí)Q7集電極電流減小Q6基集電流增大，UC-E降低，輸出電壓升高。電解電容 C1的作用 是降低輸出的紋波電壓，工作原理是把輸出的紋波電壓耦合至放大管Q7的基集放大波形使調(diào)整管調(diào)整電壓調(diào)整電壓，從而減小輸出的紋波電壓。接在調(diào)整管基集的0.1uF的電容作為旁

10、路電源輸入的高頻噪聲，是電源輸出的電流更穩(wěn)定。三極管Q5,穩(wěn)壓二極管D2和電阻R1、R2作為電 源輸入的過(guò)壓保護(hù)裝置，當(dāng)外電路電壓因?yàn)槟撤N原因突然升高時(shí)，穩(wěn)壓管 D2擊穿，三級(jí)管導(dǎo)通, 對(duì)調(diào)整管基集電流進(jìn)行大量分流，調(diào)整管截止，既保護(hù)了調(diào)整管，也保證了負(fù)載不被燒壞。電路元件設(shè)定及相關(guān)參數(shù)計(jì)算由設(shè)計(jì)指標(biāo)要輸出672V的電壓可確定變壓器副線圈輸出有效值 15V、功率為10VA 的變壓器。由于經(jīng)過(guò)變壓器降壓之后，電壓峰峰值已大大減小，因此整流橋的整流二極管 可選用1N4002,其反向重復(fù)峰值電壓為400V對(duì)于輸入交流峰值電壓15V*1.414=21.2V來(lái) 說(shuō)綽綽有余。濾波電容C可選用2200uF,

11、調(diào)整管采用大功率三極管接成復(fù)合管，可選TIP41, 因?yàn)榱鬟^(guò)調(diào)整管的電流較大，會(huì)有熱兩產(chǎn)生，故要加上散熱片。另外取樣電阻R和R8不能取得太小，太小了會(huì)使調(diào)整管長(zhǎng)期工作在大電流狀態(tài)，不利 于節(jié)能，可令流過(guò)取樣電阻的電流為2mA則R+R8=12V/2mA=6府于輸出電壓為6-12V,輸出電壓由式子 U0=(V2-Vce)* (R+R8 /(Rx+R),顯然，當(dāng)Rx=0時(shí)，U0=12V這里為了留有一 定余量，取R=2.7K, R8=3.3K。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則,放大三極管 Q7的基集電流Ib約為流過(guò)取 樣電阻電流的十分之一，為 0.2mA,再乘以三極管的放大倍數(shù)即為集電極電流，大約 5mA, 設(shè)流過(guò)R3的

12、電流為10mA則R3=(V2-VD3-Vce7)V/10mA經(jīng)計(jì)算，R3取1K。為了讓 Q5導(dǎo)通 時(shí)，使調(diào)整管基集的電流全部從 Q5流出，取Q5發(fā)射極電壓為2V,則電阻為2V/10mA=200 Q,基集電阻R2= (Vth+Vce5) /IDmin,這里取10K。維亞管的穩(wěn)壓值取16V,即當(dāng)外電路電 壓的輸入超過(guò)16V時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，保護(hù)電路啟動(dòng)。PSPICE仿真分析(1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單Pspic以具有好的圖形界面，仿真效果好等特點(diǎn)得到了廣大電路設(shè)計(jì)者和工 程技術(shù)人員的好評(píng)，該仿真軟件具有以下特點(diǎn)：(1)圖形界面友好，易學(xué)易用， 操作簡(jiǎn)單。有Dosfi本的Pspice到Win

13、dowSK本的Pspice ,使得該軟件由原來(lái)單一的文 本輸入方式而更新升級(jí)為輸入原理方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。Pspice6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉 Window作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠 標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。(2)實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好在Pspice環(huán)境中，對(duì)元件參數(shù)的修改很容易，修改完后馬上就可以進(jìn)行仿真，如用Pspice進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。(3)功能強(qiáng)大，集成度高Pspice內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流掃描，交流分析，噪聲分析，溫度 分析等，用戶只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓探針， 就可以在仿真結(jié)果圖中觀察 其情況，而且該

14、軟件還集成了許多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加，減，乘，除 等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了絕對(duì)值，對(duì)數(shù)，指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是 其他軟件所無(wú)法比擬的。另外，用戶還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口，修改坐標(biāo)，疊加 圖形等，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形 的一種快健，簡(jiǎn)便的方法。因此，Window圾本的Pspice更優(yōu)于Dosfi本的Pspice , 它不但可以輸入原理圖方式，而且可以輸入文本方式，因此它不失為電子工程師 的好幫手。直流穩(wěn)壓電路的仿真分析本題的電路仿真，較簡(jiǎn)單，主要對(duì)電路的降壓輸入波形，整流波形，濾波后的波形以 及紋波電壓，輸出波形進(jìn)行分析，

15、其分析結(jié)果如下：1、降壓輸入波形T20V-10V I 1 1 1 1 IOs5口mma V(V2:+)lOOnis 150ms200ns2som 日SOOina 350msTime2、濾波后波形3、紋波電壓 Vl(Clj4、輸出波形六、結(jié)論用Pspicef仿真軟件進(jìn)行仿真，省去了紛繁復(fù)雜的調(diào)試工作，也省去了運(yùn)用昂貴儀器設(shè)備測(cè)試的工作，使電路設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，使用該軟件能大大提高 設(shè)計(jì)電路的效率。PSPICE是計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計(jì)的電 路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析，就如同對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種 儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測(cè)試一樣，這些工作完全由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。用戶根 據(jù)要求來(lái)設(shè)置不同的參數(shù)，計(jì)算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)， 像示波器一樣，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪 聲分析、Monte