Mul基础电路及其仿真 6

第10章直流电源本章知识结构Multisim分析方法：瞬态分析、参数扫描直流电源是各类电子设备的核心组成部分，本章围绕五种主要稳压电路展开，结合Multisim仿真进行深入分析。本章概述各种电子设备中常用的直流电源除了干电池以外，比较经济实用的是由交流电源经过变换而得到的直流电源。对直流电源的主要要求：输出平滑直流输出电压平滑，脉动成分小稳定性强当电网电压或负载电流波动时，输出电压能够基本保持不变转换效率高交流电变换成直流电的转换效率高本章介绍内容：线性稳压电源包括简易稳压器、串联型稳压器、三端稳压器开关型稳压电源脉宽调制型（PWM）开关电源稳流电源负载不接地式与负载接地式10.1简易稳压器由交流电源经过变换而得到的小功率直流电源一般包括四个组成部分：组成部分功能电源变压器变换电压等级整流电路将交流电压变为单向脉动直流电压滤波电路将脉动直流电压中的脉动成分滤掉，使输出电压比较平滑稳压电路在电网电压波动、负载电流和温度变化时，维持输出直流电压的稳定10.1.1电路最简稳压电路图中给出了整流、滤波和稳压的最简电路仿真图：图10-1最简稳压电路电路元件参数：V1:10Vpk，50Hz，0°D1:3N255，R1:50Ω，C1:1000μFD2:1ZB6.8，R2:400Ω整流电路由全波桥式整流器D1构成滤波电路由C1组成简易稳压器由R1和D2组成负载R2：负载10.1.1电路（续）具有射极跟随器的稳压电路考虑到最简稳压电路带负载能力差，进行以下改进：图10-2具有射极跟随器的稳压电路改进措施：

电路元件参数：V1:10Vpk，50Hz，0°；D1:3N255；C1:1000μFR1:120Ω；Q1:TIP41A；D2:1ZB6.8R2:400Ω；D3:1N414810.1.2仿真最简稳压电路带载能力仿真图中增加开关S1，可方便观察不同负载时电路输出电压的情况。(a)负载R2为400Ω时：图10-3最简稳压电路带载能力仿真图（a）负载为400Ω输出电压6.81V负载电流6.81/400=17mA10.1.2仿真（续1）(b)负载R2为200Ω时：图10-3最简稳压电路带载能力仿真图（b）负载为200Ω输出电压6.46V，减小了0.35V负载电流6.46/200=32mA分析：负载阻值减小了50%，负载电流变化为毫安级输出电压减小了5.1%我们希望电压变化越小越好10.1.2仿真（续2）具有射极跟随器的稳压电路带载能力仿真(a)负载R2为400Ω时：图10-4具有射极跟随器的稳压电路带载能力仿真图（a）负载为400Ω输出电压6.81V射极跟随器电路在400Ω负载下，输出电压与最简稳压电路相同，均为6.81V。10.1.2仿真（续3）(b)负载R2为200Ω时：图10-4具有射极跟随器的稳压电路带载能力仿真图（b）负载为200Ω输出电压6.77V，减小了0.04V负载电流6.77/200=33.9mA电压变化率输出电压仅减小了0.6%结论：在带负载能力方面，具有射极跟随器的电路明显优于最简稳压电路。10.2串联型稳压器实际电路需求：可调输出输出电压可随意调节适应能力强电网电压和负载电流的变化范围较大时，电路的适应能力强解决方案：在简易稳压电路的基础上，增加一个由集成运放构成的增益可调的负反馈放大器，从而实现串联型稳压器。10.2.1电路在输入直流电压和负载之间串入一个晶体管T，称之为调整管，电路因此称为"串联型"。图10-5具有放大环节的串联型稳压电源输出电压公式：

电路组成：

10.2.2仿真具有放大环节的串联型稳压电源仿真(a)放大倍数为3（R5调至最下端）：图10-6具有放大环节的串联型稳压电源仿真图（a）放大倍数为3理论计算：

稳压管电流9.69mA，端电压：2.2V仿真输出6.59V（与理论值6.6V吻合）10.2.2仿真（续）(b)放大倍数为1.5（R5调至最上端）：图10-6具有放大环节的串联型稳压电源仿真图（b）放大倍数为1.5理论计算：

稳压管电流9.78mA，端电压：2.2V仿真输出3.3V（与理论值完全吻合）特别指出：尽管目前串联型稳压电路已基本上为集成稳压电源所取代，但其电路原理仍然是线性集成稳压电源内部电路的基础。10.3三端稳压器随着集成电路技术的发展，集成稳压器已成为模拟集成电路的重要组成部分，种类繁多。三端集成稳压器特点：三个引出端芯片只有三个引出端，能以最简方式接入电路按用途分固定输出和可调输出两种按极性分正输出和负输出两大类本节主要介绍：W7800系列固定输出三端集成稳压器W117系列可调输出三端集成稳压器10.3.1电路1.三端固定输出集成稳压器—1）基本电路

图10-7W7800系列三端集成稳压器基本电路外接电容的作用：

改善纹波电压

改善负载的瞬态响应正常工作条件：

10.3.1电路（续1）2）恒流源电路根据W7800系列集成稳压器输出端与公共端之间电压恒定的特点，可实现恒流源电路。图10-8恒流源电路恒流源电流公式：式中：

10.3.1电路（续2）3）可调输出电压电路

图10-9提高输出电压电路

10.3.1电路（续3）可调输出电压电路（改进版）

图10-10可调输出电压电路输出电压范围：

10.3.1电路（续4）4）扩大输出电流电路当负载电流大于集成稳压器最大输出电流时，可外接功率管T进行扩流。图10-11扩大输出电流电路T为大功率PNP晶体管，起扩流作用R为电流取样电阻，其阻值应满足：

工作原理：负载电流较小时功率管截止，负载电流由集成稳压器提供负载电流较大时

10.3.1电路（续5）5）输出正、负电压的双电源电路在电子电路中，常采用正、负电压的双电源供电模式（如集成运放的供电）。利用W7800系列和W7900系列集成稳压器可以方便地组成正、负电压的双电源电路。图10-12输出正、负电压的双电源电路输入电压

输出电压

10.3.1电路（续6）2.三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器的主要应用是实现输出电压可调的稳压电路，其采样电路需要外接。典型应用电路输出电压：

式中：

最小输出

10.3.1电路（续7）可调正电压输出稳压电路(a)典型应用电路图10-13可调正电压输出稳压电路（a）典型应用电路

(b)带保护电路的可调稳压器图10-13可调正电压输出稳压电路（b）带保护电路的可调稳压器

10.3.2仿真1.5V3A稳压器设计图10-145V3A稳压器设计目标：5V、3A稳压器设计方案：电流取样电阻R1选1.2Ω，采用TIP42AG功率管扩流仿真结果（负载1.66Ω）：参数数值负载电压5.00V负载电流3.01ALM7805通过电流786mAR1上压降约0.943V功率管分流2.22A结论：符合设计要求。10.3.2仿真（续1）5V3A稳压器——小电流情况分析当负载电流较小时，功率管分流情况如下：图10-15负载电流较小，功率管分流情况仿真仿真结果（负载12Ω）：负载电流417mALM7805通过电流413mAR1上压降约0.5V（导致功率管微导通）功率管分流3.61mA

10.3.2仿真（续2）2.±5V、500mA稳压器设计图10-16±5V、500mA稳压器设计目标：输入220V/50Hz交流，输出±5V、500mA直流稳压器设计方案：变压→整流→滤波→7805/7905稳压仿真结果：阶段电压值变压→整流→滤波后直流电压±8.8V经7805/7905后输出电压±5V负载（10Ω）电流500mA结论：符合设计要求。10.3.2仿真（续3）3.可调稳压器设计

(a)输出电压为1.25V（R2调至0%）：图10-17输出电压在1.25～25V之间可调的稳压器（a）输出电压为1.25V

10.3.2仿真（续4）(b)输出电压为25.2V（R2调至91%）：图10-17输出电压在1.25～25V之间可调的稳压器（b）输出电压为25.2V电路元件参数：U1:LM117H；V1:28V；C1:1.0μFR1:240Ω；C2:1.0μF；R2:5kΩ；R3:30Ω结论：通过调整R2的值，可实现输出电压在1.25～25V之间连续变化。10.4开关型稳压器开关型稳压电路的种类很多，分类方法也很多。按驱动方式自激式与他激式按连接方式串联型与并联型（调整管/储能电感与负载连接方式）按稳压控制方式：控制方式说明脉冲宽度调制型（PWM）固定频率，调节脉冲宽度脉冲频率调制型（PFM）固定脉宽，调节频率混合调制型综合以上两种本节主要介绍：脉宽调制型（PWM）开关电源10.4.1电路串联型开关稳压电源电路电路组成：DC/DC变换器

采样电路电阻R1、R2基准电压

比较放大电路运放A1PWM比较器运放A2（利用三角波10kHz实现PWM）驱动方式：因开关信号由独立三角波发生器产生，故为他激式工作原理：

10.4.1电路（续）图10-18串联型开关稳压电路的电原理图仿真电路元件参数：

输出电压9.01V负载电流180mA10.4.2仿真各点工作波形分析对串联型开关稳压电源进行瞬态分析，得到电路中各点的工作波形。

分析：

调整R1、R2的比值，可以调节输出电压10.4.2仿真（续1）

分析：

输出电压平均值计算：

10.4.2仿真（续2）

分析：

10.4.2仿真（续3）

分析：波动范围

平均值约为9.006V稳定性输出电压极其稳定，纹波极小总结：开关型稳压电源通过PWM控制，在保持高效率的同时，实现了良好的稳压性能。10.5稳流电源串联型稳压电源通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定稳流电源通过电流负反馈使输出电流保持基本稳定稳流电源分类：类型特点负载不接地式直流稳流源参考电压与负载共地负载接地式直流稳流源参考电压回路浮地，负载接地10.5.1电路1.负载不接地式直流稳流源图10-20负载不接地式稳流源电路组成：

设计方法：

10.5.1电路（续1）2.负载接地式直流稳流源—电路1——利用浮地电源实现

图10-21利用浮地电源实现负载接地（a）电路1

10.5.1电路（续2）电路2——整个电路浮地（电阻分压法）

图10-21利用浮地电源实现负载接地（b）电路2问题：参考电压浮地，不便于和其他电路进行接口。

10.5.1电路（续3）电路3——利用PNP管实现负载接地（单电源）

图10-22利用PNP管实现负载接地（a）电路3优点：性能好、结构简单，便于和对地参考电压接口。

10.5.1电路（续4）电路4——外接与负载共地的电压参考

图10-22利用PNP管实现负载接地（b）电路410.5.2仿真1.负载不接地式直流稳流源仿真图10-23负载不接地式稳流源仿真电路设计参数：基准源MC1403+V3，提供2.5V基准电压运放OP07扩流管IRF120（场效应管）稳流值1A，故电流采样电阻R1=2.5Ω10.5.2仿真（续1）负载不接地式稳流源——仿真测试(a)负载特性（RL从0～10Ω变化）：图10-24仿真测试（a）负载特性RL(Ω)输出电流(A)0～91.0（稳定）9.50.9810.00.94结论：负载在0～9Ω范围内，负载电流能够相当好地稳定在1A。10.5.2仿真（续2）(b)输入特性（V4在8～24V变化，RL=5Ω）：图10-24仿真测试（b）输入特性输入电压(V)输出电流(A)8～241.0003～1.0005（极其稳定）结论：在输入电压8～24V范围内，负载电流相当稳定。10.5.2仿真（续3）2.负载接地式直流稳流源仿真图10-25负载接地式稳流源仿真（a）仿真电路设计参数：基准源：V2提供4V基准电压运放OP07：由V3（15V）、V4（15V）供电，均不与负载工作电源地相连负载支路电源：V1提供工作电压，负载接地设计负载电流：2A，故电流采样电阻R1=2ΩV1取40V时，最