可調式直流穩壓電源的設計與仿真研究

潘爽

（西南民族大學，四川 成都 610225）

0 引言

電力技術水平的提高促進了社會發展，而電源在電力應用中的作用不可或缺。其中，直流穩壓電源已成為各類電子設施的重要構成部分。到如今，隨著對直流技術的研究與推廣，目前的直流電源可以為大多數小型電子設備正常供電?；诖?，許多應用于各種環境的直流電源應運而生。為解決復雜環境下電源設計繁雜的問題并更好地滿足對直流電源的應用需求，本文提出一種直流穩壓電源設計方案，該電源直流調壓范圍相對較小，輸出電壓穩定，兼顧制作成本低以及適用于各類小功率電路等特點。

1 電路原理圖

一種可調直流穩壓電源的主功率電路設計如圖1，電路輸入的工頻電壓被轉換為幅值恒定的直流電，且成功實現了1.25V到14V直流電壓連續可調。220V工頻交流電通過變壓器降壓到15V，再利用整流橋將其變換成一脈動的直流電，并用大電容將諧波電壓濾去，隨后集成穩壓器LM317將脈動的直流電轉換成幅值恒定的穩定直流，緩慢調整滑動變阻器的數值，最終可輸出相對穩定的、連續可調的直流電壓。

圖1 可調直流穩壓電源電路

2 設計原理分析

運用變壓器降低工頻交流電壓，經過整流橋，大電容完成濾波，集成管LM317穩壓，最終輸出相對穩定的、可連續調節的直流電壓。電路功能框圖如圖2。

圖2 電路功能框圖

2.1 變壓器降壓

2.1.1 變壓原理

變壓器的主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯，它是一種利用電磁感應原理來升壓或降壓的裝置[1]。鐵芯因變壓器一次側交流電而產生交變磁通。該磁通將在二次繞組感應出一定大小的電動勢，且變壓過程中一二次端電壓頻率保持一致。

2.1.2 元件參數計算及選擇

要求輸出直流電壓小范圍實現連續可調，而負載電壓為變壓器二次側電壓的1.1到1.2倍，為獲得輸出為14V左右的直流電壓，并留有一定電壓裕量，二次側交流電壓應為15V。故選擇交流220V/15V的變壓器，受變壓器調壓限制，電源輸出小范圍的直流電壓。

2.2 單相橋式整流

2.2.1 單相橋式整流原理

整流電路一般有三種形式，分別是半波整流、全波整流、倍壓整流，其中半波整流只得到半個周期的脈動直流電，電源利用率低下而極少采用，倍壓整流的輸出電壓要高于電源電壓，不符合本設計電路的要求，全波整流能得到全波脈動直流電，對電源的有效利用率大大提高，因此最適宜采用全波整流[2]。

如圖3，變壓器二次側輸出電壓處于正半周時，因二極管只能單向流入，所以二極管D1、D3導通（二者承受正電壓），電流從變壓器正極出發，經D1、R1、D3流回負極。而D2、D4各自都承受二次側反向電壓，故處于截止狀態。此時R1兩端的輸出電壓為正電壓波形。當二次側電壓過零點變為負值時，D1和D3反向截止，二次側輸出電壓處于負半周，故D2、D4管導通，電流從經D2、R1、D4流回負極。無論二次側輸出電壓處于正半周或負半周，電路中流經R1的電流相位未發生變化，故電阻端輸出電壓總為交流正弦波的正半周部分。

圖3 單相橋式整流電路

2.2.2 元件參數計算及選擇

圖3中，若施加于各二極管上的反向電壓超過其耐壓限度，則二極管被反向擊穿而失去工作能力。IN4007整流管符合設計要求，其最大正向平均整流電流1.0A小于LM317穩壓器1.5A的輸出電流；且最高反向耐壓達到1000V，遠高于變壓器二次側輸出電壓峰值21.21V，足以承受其電壓。

2.3 電容濾波

2.3.1 濾波電路

在整流過程中，存在非線性變換特征，造成電流和電壓波形的不一致，使得電流產生嚴重畸變，從而導致諧波電流的產生[3]。設計的可調直流穩壓電源為小功率電源，采用電容濾波可使直流波形更平滑穩定，即在負載兩端并聯電容器。故輸出的交流成分通過濾波將最大程度地得到減少。

2.3.2 元件參數計算及選擇

通常情況下，3倍交流電周期的一半可用來近似時間常數。若負載直流電流1A，輸出電壓12V，由歐姆定律得等效電阻為12歐姆。對于單相橋式整流：

T為交流電源周期，由計算知，設計中應選擇2200uF的濾波電容。

2.4 LM317穩壓

2.4.1 穩壓電路

用戶用電時，電網電壓因某些因素可能出現振蕩，且調壓過程中，當負載變化很大時，電源輸出電壓會受一定的波動影響，導致電源電壓不穩。穩壓電路中，由于穩壓管電壓的變化會帶動電路電流同步發生改變，所以就可以在穩壓管兩端串聯限流電阻，以實現對電源電流和電壓大小的有效控制，從而使輸出的電壓保持穩定可靠[4]。

2.4.2 元件參數計算及選擇

設計采用LM317穩壓器，其結構如圖4。LM317輸出電壓為1.2V～37V，保證1.5A輸出電流，電壓穩定性好；其三個引腳為別為調整端、輸出端和輸入端，沒有接地端，采用的是一種懸浮式電路結構，其基準電壓為1.25V[5]。穩壓器ADJ調節端約流過30-50uA電流，一定程度上可忽略不計，故R3和R2流過電流近似相等。而穩壓器輸出端Vout和調節端ADJ之間的輸出電壓為1.25V，其穩定工作的最小電流Imin為5mA左右，故中R2max=（1.25÷5）×1000=250Ω。取R2為220Ω，之后確定滑動變阻器R3的值，因設計最大輸出電壓在14V，則：

故選擇阻值2000Ω的變阻器。

圖4 LM317穩壓器工作電路

3 電路測試

調整變阻器R3阻值可輸出1.25V-14V的直流電壓。常規可調直流電源的額定輸出電壓為0-32V，輸出電流為0-6A。且電壓調整率約為0.3%，紋波電壓有效值不超過10mV。相較于常規直流可調電源，設計的直流電源調壓范圍更小（1.25-14V），輸出電流為5mA-1.5A，其輸出功率更小，更適用小功率電路。經實物測試，輸出電流由5mA增加到1.5A時，輸出電壓從某一數值5V降到4.85V，故電壓調整率：（5-4.85）÷4.85=3.09%。雖然設計電源的電壓調整率大于常規電源，但良好型穩壓電源的電壓負載率通常指標在3%-5%，故本設計電源仍符合要求。此外，電源設計中使用變壓器、穩壓器等元器件的價格低，數量少，電路結構較為簡易，制作成本更低。

圖5 Multisim仿真輸出直流波形

圖6 示波器實物輸出直流波形

圖5、6中，可看出輸出直流電壓波形較穩定平滑。使用示波器測量在直流電中的交流分量為50mV左右，即紋波電壓，該數值大于常規直流電源的紋波電壓，故電壓紋波在一定程度上仍偏大，即濾波不干凈，可通過加大電容值來減小紋波。為滿足不同環境下電源的可靠性，在一定實驗條件下還可對電源加裝過流、過熱保護裝置。設計電源與常規直流電源參數對比如表1。

表1 實物設計電源與常規直流電源參數對比

4 結語

為解決復雜環境下的電源設計問題并更好地滿足對直流電源的應用需求，本文進行了可調式直流穩壓電源的設計與仿真研究。

（1）提出了一種直流可調穩壓電源的研究方案。該方案中，電源調壓范圍相對較小，輸出電壓穩定，兼顧了電源制作成本低以及適用于各類小功率電路等特點。

（2）仿真與實物測試中，分別利用示波器得到了較為穩定平滑的直流電壓波形，實物電源的電壓調整率滿足良好型穩壓電源電壓負載率的通用指標，能夠輸出穩定的直流電壓。

（3）直流輸出中的50mV紋波電壓在一定程度上仍然偏大，數值大于常規直流電源的紋波電壓，故仍需采取措施來降低紋波電壓的影響。