刁成妍，王宗梁，牛天健

（山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū)，山東 濟(jì)南 250000）

引言

本次設(shè)計(jì)以Matlab、Multisim、Altuim Designer等軟件為基礎(chǔ)，完成設(shè)計(jì)線性電源電路的任務(wù)。設(shè)計(jì)的電路圖中使用了功率變壓器、二極管、電阻、電容、集成穩(wěn)壓器等器件，可完成多路輸出電壓。對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、濾波處理以及輸出穩(wěn)定電壓等功能。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

要求設(shè)計(jì)一款低紋波直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為功率變壓器的設(shè)計(jì)和整流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)兩部分。設(shè)計(jì)功率變壓器是為了達(dá)到電壓變換的目的，一般是將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，并傳送給后面的整流電路。整流穩(wěn)壓電路是將功率變壓器轉(zhuǎn)換得到的低電壓進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓處理。變壓器、整流電路、濾波電路等共同構(gòu)成線性電源電路。線性電源電路通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)濾去不穩(wěn)定的脈動(dòng)、干擾成分。具體要求如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2 功率變壓器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于繞制，方便生產(chǎn)、安裝，且方便散熱。

利用降壓變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換的目的。功率變壓器將一次交流電壓變換為整流所需要的二次交流電壓。在本次設(shè)計(jì)中，是將220 V的輸入電壓降為12 V的輸出電壓，并送給整流電路。由于變壓器存在鐵損和銅損，因此輸出功率小于輸入功率。功率變壓器可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)一次、二次繞線，要求漏磁要盡可能小，減少繞組的漏感。

2.2 設(shè)計(jì)思路、方案及設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)功率變壓器時(shí)采用的是磁芯幾何常數(shù)法，通過磁芯幾何常數(shù)Kg的值選擇合適的磁芯。據(jù)題目給出的參數(shù)要求列出公式，并借助Matlab計(jì)算，從而確定變壓器的視在功率、損耗、溫升以及調(diào)整率等參數(shù)，以及一次、二次繞組的匝數(shù)、損耗，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合適的一次、二次導(dǎo)線。

變壓器設(shè)計(jì)的基本步驟之一就是要選擇一個(gè)合適的磁心材料，不同材料在成本、尺寸、頻率和效率方面有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮這些因素。此外，也要盡量滿足變壓器的體積和質(zhì)量最小，并盡可能降低成本。但是需要注意的是，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，這些約束條件往往很難同時(shí)滿足。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理的折中處理。

具體設(shè)計(jì)步驟如下頁(yè)表2所示。

表2 設(shè)計(jì)步驟

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

第一次選用了14 mil厚EI疊片磁芯，型號(hào)為EI-112的疊片磁芯，在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)調(diào)整率遠(yuǎn)大于6%。選用DU-75型號(hào)磁芯，但是，需要的導(dǎo)線裸面積遠(yuǎn)大于AWG系列中最大裸面積導(dǎo)線。經(jīng)過多次嘗試、分析計(jì)算，選用了14 mil厚EI疊片磁芯中的EI-125型號(hào)疊片磁芯，一次側(cè)選擇AWG 23號(hào)導(dǎo)線，二次側(cè)選擇AWG 10號(hào)導(dǎo)線。

3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

直流穩(wěn)壓電源是一種將交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出的直流電壓的裝置，需要經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。因此，直流穩(wěn)壓電源由變壓（即電源變壓器）、整流電路、濾波電路、以及穩(wěn)壓電路這四個(gè)部分組成。

3.2 設(shè)計(jì)步驟

穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)分為變壓、整流、濾波和再次穩(wěn)壓四個(gè)步驟。

3.2.1 變壓

變壓電路主要是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足要求的功率變壓器。本次設(shè)計(jì)，是將220 V的輸入電壓降為12 V的輸出電壓。

3.2.2 整流電路

將交流電壓轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電壓。常用整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流。

1）半波整流：電路簡(jiǎn)單，用到的二極管數(shù)目少。但是電路利用率較低

2）全波整流：全波整流雖然輸出電壓波動(dòng)減小了，但變壓器需要的繞線太多。

3）橋式整流：雖然橋式整流需要的二極管多，但是它克服了全波整流要求變壓器二次端要有中心抽頭的缺點(diǎn)。顯然，橋式整流的利大于弊。

綜合考慮，本次設(shè)計(jì)利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行整流，選擇橋式整流。

3.2.3 濾波電路

1）電感濾波：電感可以阻止負(fù)載電流變化，并使之趨近平直。但是一般的電感濾波只適用于大電流、低電壓的場(chǎng)合。

2）π型LC濾波電路：電容對(duì)交流的阻抗小，電感對(duì)交流的阻抗大，所以負(fù)載上的紋波電壓較小。但是負(fù)載要消耗功率，這樣會(huì)造成電源損耗功率較大，因此電源的功率降低。

3）電容濾波電路：整流電路后面加上濾波電容，一方面使輸出電壓更加平滑，減少波紋，另一方面增大了輸出電壓的平均值。

綜合上述分析，選擇電容濾波電路進(jìn)行濾波。

4）電容值的確定：電容濾波電路需要一個(gè)較大的電容，但是考慮到不能過大，因此采取經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算的方法，并且結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的正確性。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，將電容值調(diào)整為2 200μF。

3.2.4 穩(wěn)壓電路

由于實(shí)際過程中外界環(huán)境的多變性，需要再添加一級(jí)穩(wěn)壓電路，以保證直流輸出電壓的穩(wěn)定輸出，本次設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器。在設(shè)計(jì)小功率穩(wěn)壓電源時(shí)，一般選用三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器可以分為固定式和可調(diào)式，正電壓輸出和負(fù)電壓輸出。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，固定式三端穩(wěn)壓器可以滿足本次設(shè)計(jì)要求，選用LM7805系列穩(wěn)壓器。

為了達(dá)到直流輸出為5 V的要求，通過查閱芯片手冊(cè)，選用LM7805CT型號(hào)芯片。通過仿真證明，這一芯片滿足要求。通過上網(wǎng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)LM7805CT所在的穩(wěn)壓電路中往往選用0.1～0.3μF的小電容。通過仿真實(shí)驗(yàn)，最終選用了0.1μF的電容。

4 電路仿真

由于計(jì)算設(shè)計(jì)過程難免出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致最后的設(shè)計(jì)結(jié)果不一定精準(zhǔn)。為了保證最后設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，需要通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)果是否合理，并進(jìn)一步改進(jìn)。最終的電路仿真圖如圖1所示。

選用GSIB1580—E3/45型號(hào)整流橋，2 200μF和0.1μF的電容，10Ω的電阻，峰值為16.97 V、頻率為60 Hz的交流電源以及LM7805CT芯片。分別對(duì)整流電路、濾波電路以及穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)功率變壓器以及整流穩(wěn)壓電路，借助Matlab計(jì)算、Altuim Designer畫圖、Multisim仿真最終設(shè)計(jì)出一款低紋波直流穩(wěn)壓電源，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、濾波處理以及輸出穩(wěn)定電壓等功能。