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集成稳压电源的设计与模拟仿真(一)
集成稳压电源的设计与模拟仿真
摘 要：电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将5OHz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。讲述了集成稳压电源的工作原理以及其各个组成部分，记述了我在整个设计过程中对ORCAD软件的学习，各个部分的设计思路，对各部分电路设计方案的选择，以及对它们的PSPICE调试，对调试结果的分析，到最后得到比较满意的实验结果的方方面面 。
关键词：直流电源；集成稳压电源；工作原理；ORCAD；PSPICE
Abstract: In the electronic installation all needs to stabilize the direct-current power supply, the power smaller direct-current power supply majority all is the 5OHz alternating current after the rectification, the filter and the constant voltage obtains.Narrated the integration voltage-stabilized source principle of work by and its each constituent, has recorded me in the entire design process to the ORCAD software study, each part of design mentality, to each part of circuit design plan choice, as well as to their PSPICE debugging, to debugs the result the analysis, to finally obtains the quite satisfactory experimental result the side aspect .
Keywords: Direct-current power supply；Integration voltage-stabilized source； principle of work ；ORCAD；PSPICE.
1绪论
21世纪，是一个科技迅猛发展、计算机普及应用的信息时代。计算机技术已经成熟，并已渗透到人们的科研、生产、工作、生活等各个领域。对于年轻人来说，不会计算机就等于昔日的文盲，你将在现代社会中寸步难行；同样，作为新一代的电子工程师，不懂使用EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)软件设计电子线路，也是一件不可思议的事[2]。
提到电子设计自动化，还得从上世纪80年代，世界上许多公司相继推出用于微机系统的电子CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)软件说起。世界上许多公司为了自己的CAD软件能在激烈的市场竞争中占有一席之地，纷纷推出具有自己公司特色的CAD软件，经过多年的实践检验、不断修改和完善，或优存劣汰，或收购兼并，或强强联合，CAD技术已日臻成熟。CAD是一种通用技术，除了在机械、建筑等其它许多行业得到广泛应用之外，借助美国加洲大学伯克利分校的SPICE3f5/XSPICE作为仿真引擎，世界上许多公司还推出各种用于电子行业的优秀EDA软件；从另一个角度讲，CAD(计算机辅助设计)是电子设计的物理级初级阶段；CAE(计算机辅助工程)是电路级设计阶段；EDA(电子设计自动化)是高级的电子系统设计阶段。衡量一个软件的优劣，其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率，也就是它的普及和流行程度。正如鲁迅先生所说：“其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路。” 说到EDA软件，美国Cadence公司的OrCAD、加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、澳大利亚Altium公司的PROTEL、美国Mentor Graphics公司的PADS都是其中有代表性的佼佼者[3]。
本课程设计的设计要求：
1）集成稳压电源的设计与模拟仿真。
2）掌握ORCAD操作和使用方法。
3）利用ORCAD软件设计出电路图，并对其工作原理进行分析。
4）利用ORCAD软件对所设计的电路进行模拟与仿真分析。
2方案论证及总体框图
2.1直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源是电子设备中的重要组成部分，用来将交流电网电压变为稳定的直流电压[4]。一般小功率直流电源由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路等部分组成。对直流稳压电源的主要要求是: 输入电压变化以及负载变化时，输出电压应保持稳定，即直流电源的电压调整率及输出电阻越小越好。此外，还要求纹波电压要小。
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图1如下。
图1 直流稳压电源基本组成框图
各部分的作用
（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。
（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1，如图2
图2 整流滤波电路原理图
各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
（3）三端集成稳压器：常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图2.3，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo＝1.25（1＋R2/R1）
式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。如图3
图3 三端集成稳压器典型电路图
2.2集成稳压电源的基本原理
这是一种实用的输出电压连续可调的集成稳压电源，输出电压在1.25V--37V之间连续可调输出最大电流可达1.5A，电路简单[5]。
图4 总体原理图
如上图4所示，LM317输出电流为1.5A，输出电压可在1.25V--37V之间连续可调，输出电压由两之外接电阻R1、RP所决定，输出端和调整端之间的电压差为1.25V，这个电压将产生几毫安的电流，经R1、RP到地，在RP上产生了一个变化的电压加到调整段，通过改变RP1范围就能改变输出电压。注意，为了得到稳定的电压输出，流经R1的电流要小于3.5mALM317在不加散热片时最大功耗为2W，在加足够大的散热板时其最大功耗可达15W。D5为保护二极管，以防稳压器输出段短路而损坏IC，D6用来防止输入短路而损坏集成电路。
整流桥应选用电流大于3A而耐压大于50V的，二极管VD1、VD2选用1N4002；C1、C3、C4选用耐压大于50V的电解；C2选用陶瓷电容；电阻用1/8W碳膜电阻；RP1选用5.1K电位器。
3开发平台
3.1美国Cadence公司的OrCAD软件
3.1Cadence公司的OrCAD 软件，是世界上应用最广的EDA软件之一，是EDA软件中一个比较突出的代表。可以说，近年来其攻占EDA盟主宝座的企图是很明显的，早在1983年就与开发Pspice软件的MicroSim公司实现了强强联合，推出了可在PC机上运行的OrCAD/Pspice1，后来Cadence公司又并购了一流的PCB布线软件厂，使其拥有了绝佳的电路仿真和制板能力，给人以“所有好东西都集合在一起了”的感觉。OrCAD软件功能强大，而且它的界面友好、直观，在国外使用广泛，欧美地区有相当数量的电子工程师都在使用它。由于OrCAD软件进入我国时间比较晚，可参考书籍资料又比较少；该软件设置了防盗狗，其正版售价又是众多EDA软件中最高的，这些都是造成在国内使用普及率较低的原因。但随着我国电子行业飞速发展，使用OrCAD软件的用户呈逐年增长的趋势。从早期版本工作于DOS环境的OrCAD 4.0，发展到现在最新的OrCAD 10.5，OrCAD软件集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等等功能，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EDA软件的首选。Cadence公司已成为世界上最强大的开发EDA软件的公司之一[6]。
OrCAD软件系统中主要包括：OrCAD /Capture CIS（电路图设计）；OrCAD /PspiceA/D（数/模混合模拟）；OrCAD /Layout Plus(PCB设计)等，其中每一个部分可以根据需要单独使用，又有下面图5的内在联系，共同组成完整的EDA系统。
图5 电路设计图
3.2 OrCAD软件系统的几个主要软件的功能及特点
3.2.1 OrCAD /Capture CIS
它是OrCAD软件包中的共用软件，也是其它两个软件的基础。从图1可以看出：在调用OrCAD /PspiceA/D和OrCAD /Layout Plus之前，都需要先运行它，它是一个功能强大的电路原理图设计软件。除了可以生成各类电路原理图外，与其它电路图绘制软件相比，Capture CIS软件中还有明显特点的元器件信息系统模块CIS(Component Information System)。该信息系统模块除了可以对元件库中4万多种元器件实施高效的管理以外，还具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在设计电路图的过程中，通过Internet网上其它元器件数据库中查阅到百万多种元器件，并可以根据绘图需要将它们调入电路图或添加到自己的库文件中；用Capture软件绘制的电路图完成成后，还可以直接调用OrCAD /Pspice软件进行仿真，也可以进入OrCAD /Layout Plus软件进行制板设计；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直观形象、使用方便；操作功能强大、灵活，项目管理科学有效，适应性很强，支持国际上多种标准。
3.2.2 OrCAD / PspiceA/D
这是一个通用电路模拟软件，除了对数字电路和数/模混合电路模拟外，还具有优化设计的功能。该软件中的Probe模块，相当于一台“虚拟示波器”不但可以在模拟结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数、分析电路参数与元器件参数的关系，使分析过程更加方便直观。2001年前后OrCAD公司推出OrCAD / Pspice9.2版本。
3.2.3 OrCAD /Layout Plus
这是一个印制电路版PCB设计软件[7]，可以直接将生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为PCB设计。OrCAD /Capture软件具有高水平的设计指标：可设计的最大电路板尺寸为68(英寸)2；层次可达30层；布线最高分辨率为1微米；放置元器件时旋转角度可精确到1分。另外还有自动推挤、矩阵布局、智能化敷铜、与多种PCB设计软件可进行数据交换，包括与多种机械 CAD软件交换数据，生成3维轮廓图形等功能。它的元器件封装库非常丰富，并且可以通过库管理器(Library Manager)对封装库进行编辑、修改和添加新的封装，OrCAD /Layout Plus软件在PCB制板界以其功能强大著称，是一款名副其实的高档、专业PCB设计EDA软件。
4 OrCAD/PSpice模拟仿真
4.1 OrCAD Capture
1）进入ORCAD的集成环境
2）创建新项目：在菜单栏中选择file>new>Project
Name:键入项目名称,如 swth
Location：点 Browse选择项目名保存的路径
在Create a New Project Using复选框中选择Analog or Mixed-Signal Circuit，单击“OK”
出现”Anlog Mixed-Mode Project Wizard”对话窗口
选择左边需求的元件库添加到右窗的使用栏内，然后点“完成”
3）电路原理图编辑：
放置元件
放置导线放置接点
编辑元件的属性
添加元件的属性
产生元件报表_产生普通的元件报表
对电路图进行设计规则检查
生成电路的网路表
4.2数模混合仿真模块
直流分析（DC Sweep)
交流与噪声分析（AC Sweep/Noise)
瞬态分析，即时域分析 Time Domain（Transient)
直流工作点分析（直流偏置分析Bias Analysis)
4.3优化程序设计
对电路进行优化设计时，可以同时调整电路中8个元器件的参数，以满足最多8个目标参数和约束条件（其中至少要有一个目标参数）的要求，从而达到设计要求中所需的电路性能指标。有以下步骤：
1）绘制电路图：关键在于在电路图中放置OPTPARAM符号，用于设置电路优化设计过程中需调整的元器件名称及有关参数值。
2）根据代优化的特性参数类别（直流、交流等）调用Pspice进行电路模拟检验，确保电路设计能正常工作，并基本满足功能和特性要求。
3）调用优化模块，设置可调整的电路元器件参数、待优化的目标参数和约束条件等与优化有关的参数。
4）启动优化迭代过程，输出优化结果。
图6 产生元件报表图
图7 产生元件统计报表图
4.4电源变压器的仿真
电网电压经电源变压器变成整流电路所要求的的交流电压28V~ ，如图8所示：
图8 电源变压器PSpice模拟仿真波形
4.5单相桥式电路的仿真
四只整流二极管接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。
整流电路的作用利用二极管的单向导电特性，将交流电压变成单方向的脉动直流电压，目前广泛采用整流桥构成桥式整流电路。为了消除脉动电压的纹波电压需采用滤波电路，单相小功率电源常采用电容滤波。在桥式整流电容滤波电路中，当RLC≥(3～5)T/2 时，输出电压UO≈1.2U2 (U2为变压器二次电压的有效值)。如图9所示
图9 单相桥式电路PSpice模拟仿真波形
4.6滤波电路的仿真
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹拨，一般由电抗元件组成，由于电抗元件中有储能作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容具有平波作用。如图10，11所示：
图10 滤波电路PSpice模拟仿真波形
图11 整流滤波电路PSpice模拟仿真波形
4.7稳压电路的仿真
稳压电路用来在交流电源电压波动或负载变化时，稳定直流输出电压。目前广泛采用集成稳压器，在小功率供电系统中多采用线性集成稳压器，而中、大功率稳压电源一般采用开关稳压器。[2]
线性集成稳压器中调整管与负载相串联，且工作在线性放大状态，它由调整管、基准电压、取样电路、比较放大电路以及保护电路等组成。开关稳压器中调整管工作在开关状态，其效率比线性稳压器高得多，而且这一效率几乎不受输入电压大小的影响，即开关稳压电源有很宽的稳压范围。如图12，13所示
图12 负载电路PSpice模拟仿真波形
当今飞速发展的电子技术是高科技的重要组成部分之一。此次电子技术课程设计的主要目的是训练我们的综合设计能力、电子线路的组装调试能力与创新能力。经过查资料，选方案，设计电路，仿真调试，写报告的过程，使我们得到一次科学研究工作的启蒙训练。
电子技术课程设计的教学任务是通过解决一、两个实际问题，巩固和加深在相关课程中所学的理论知识和实验技能，初步掌握电子电路的基本设计方法，提高电子电路的设计能力和调试能力，为今后的毕业设计和从事电子技术方面的科研、开发工作打下一定的基础[1]。
经过了这次为期2周的实验，我的收获颇多，体会也不少。首先，我深刻地了解了实验的重要性，许多科学理论的建立也都是从实验中见到先兆，并通过实验得到验证。实践是检验真理的唯一标准，只有自己动手，通过实验来确定以前理论上的结果，并且为将来的研究打下基础，才能不断探索出新的科学奥秘。在实验中我们多次发现，即使图纸的连接方法完全成立，但是也有可能产生实验数据的误差。这就充分说明了只有理论是不行的。只有通过实验，使我们理论联系实际，才可以很好的充实我们实验报告，也能够完善我们的方法。
通过这次实验，我的克服困难，解决问题的能力也得到了锻炼。这次实验遇到了许多大大小小的问题；从困难中发现希望，从问题中发现真理是我做实验所得到的收获。所以，只要不轻言放弃，本着一颗平常心，失败了不气馁，成功了也不骄傲，就一定成功地完成实验。
最后，感谢李成军等老师为我们提供这次的学习的机会和悉心的指导。
参考文献
[1] 贾新章等. 电子电路CAD技术----基于OrCAD9.2.西安电子科技大学出版社，2002
[2] 贾新章等. OrCAD/Capture CIS 9实用教程. 西安电子科技大学出版社.2000
[3] 贾新章等. OrCAD/Capture 9实用教程. 西安电子科技大学出版社.1999
[4] 权海洋.超大规模集成电路设计与实践.西安电子科技大学出版社.2003
[5] 高德远.超大规模集成电路－系统和电路的设计原理.高等教育出版社.2003
[6] 高保嘉.MOS VLSI分析与设计.电子工业出版社.2002
[7] Martin,K.Digital Integrated Circuit Design.电子工业出版社.2002
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