可调式直流稳压电源的设计与仿真研究

2021-07-12潘爽

新型工业化 2021年3期

潘爽

（西南民族大学，四川成都 610225）

0 引言

电力技术水平的提高促进了社会发展，而电源在电力应用中的作用不可或缺。其中，直流稳压电源已成为各类电子设施的重要构成部分。到如今，随着对直流技术的研究与推广，目前的直流电源可以为大多数小型电子设备正常供电。基于此，许多应用于各种环境的直流电源应运而生。为解决复杂环境下电源设计繁杂的问题并更好地满足对直流电源的应用需求，本文提出一种直流稳压电源设计方案，该电源直流调压范围相对较小，输出电压稳定，兼顾制作成本低以及适用于各类小功率电路等特点。

1 电路原理图

一种可调直流稳压电源的主功率电路设计如图1，电路输入的工频电压被转换为幅值恒定的直流电，且成功实现了1.25V到14V直流电压连续可调。220V工频交流电通过变压器降压到15V，再利用整流桥将其变换成一脉动的直流电，并用大电容将谐波电压滤去，随后集成稳压器LM317将脉动的直流电转换成幅值恒定的稳定直流，缓慢调整滑动变阻器的数值，最终可输出相对稳定的、连续可调的直流电压。

图1 可调直流稳压电源电路

2 设计原理分析

运用变压器降低工频交流电压，经过整流桥，大电容完成滤波，集成管LM317稳压，最终输出相对稳定的、可连续调节的直流电压。电路功能框图如图2。

图2 电路功能框图

2.1 变压器降压

2.1.1 变压原理

变压器的主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯，它是一种利用电磁感应原理来升压或降压的装置[1]。铁芯因变压器一次侧交流电而产生交变磁通。该磁通将在二次绕组感应出一定大小的电动势，且变压过程中一二次端电压频率保持一致。

2.1.2 元件参数计算及选择

要求输出直流电压小范围实现连续可调，而负载电压为变压器二次侧电压的1.1到1.2倍，为获得输出为14V左右的直流电压，并留有一定电压裕量，二次侧交流电压应为15V。故选择交流220V/15V的变压器，受变压器调压限制，电源输出小范围的直流电压。

2.2 单相桥式整流

2.2.1 单相桥式整流原理

整流电路一般有三种形式，分别是半波整流、全波整流、倍压整流，其中半波整流只得到半个周期的脉动直流电，电源利用率低下而极少采用，倍压整流的输出电压要高于电源电压，不符合本设计电路的要求，全波整流能得到全波脉动直流电，对电源的有效利用率大大提高，因此最适宜采用全波整流[2]。

如图3，变压器二次侧输出电压处于正半周时，因二极管只能单向流入，所以二极管D1、D3导通（二者承受正电压），电流从变压器正极出发，经D1、R1、D3流回负极。而D2、D4各自都承受二次侧反向电压，故处于截止状态。此时R1两端的输出电压为正电压波形。当二次侧电压过零点变为负值时，D1和D3反向截止，二次侧输出电压处于负半周，故D2、D4管导通，电流从经D2、R1、D4流回负极。无论二次侧输出电压处于正半周或负半周，电路中流经R1的电流相位未发生变化，故电阻端输出电压总为交流正弦波的正半周部分。

图3 单相桥式整流电路

2.2.2 元件参数计算及选择

图3中，若施加于各二极管上的反向电压超过其耐压限度，则二极管被反向击穿而失去工作能力。IN4007整流管符合设计要求，其最大正向平均整流电流1.0A小于LM317稳压器1.5A的输出电流；且最高反向耐压达到1000V，远高于变压器二次侧输出电压峰值21.21V，足以承受其电压。

2.3 电容滤波

2.3.1 滤波电路

在整流过程中，存在非线性变换特征，造成电流和电压波形的不一致，使得电流产生严重畸变，从而导致谐波电流的产生[3]。设计的可调直流稳压电源为小功率电源，采用电容滤波可使直流波形更平滑稳定，即在负载两端并联电容器。故输出的交流成分通过滤波将最大程度地得到减少。

2.3.2 元件参数计算及选择

通常情况下，3倍交流电周期的一半可用来近似时间常数。若负载直流电流1A，输出电压12V，由欧姆定律得等效电阻为12欧姆。对于单相桥式整流：

T为交流电源周期，由计算知，设计中应选择2200uF的滤波电容。

2.4 LM317稳压

2.4.1 稳压电路

用户用电时，电网电压因某些因素可能出现振荡，且调压过程中，当负载变化很大时，电源输出电压会受一定的波动影响，导致电源电压不稳。稳压电路中，由于稳压管电压的变化会带动电路电流同步发生改变，所以就可以在稳压管两端串联限流电阻，以实现对电源电流和电压大小的有效控制，从而使输出的电压保持稳定可靠[4]。

2.4.2 元件参数计算及选择

设计采用LM317稳压器，其结构如图4。LM317输出电压为1.2V～37V，保证1.5A输出电流，电压稳定性好；其三个引脚为别为调整端、输出端和输入端，没有接地端，采用的是一种悬浮式电路结构，其基准电压为1.25V[5]。稳压器ADJ调节端约流过30-50uA电流，一定程度上可忽略不计，故R3和R2流过电流近似相等。而稳压器输出端Vout和调节端ADJ之间的输出电压为1.25V，其稳定工作的最小电流Imin为5mA左右，故中R2max=（1.25÷5）×1000=250Ω。取R2为220Ω，之后确定滑动变阻器R3的值，因设计最大输出电压在14V，则：

故选择阻值2000Ω的变阻器。

图4 LM317稳压器工作电路

3 电路测试

调整变阻器R3阻值可输出1.25V-14V的直流电压。常规可调直流电源的额定输出电压为0-32V，输出电流为0-6A。且电压调整率约为0.3%，纹波电压有效值不超过10mV。相较于常规直流可调电源，设计的直流电源调压范围更小（1.25-14V），输出电流为5mA-1.5A，其输出功率更小，更适用小功率电路。经实物测试，输出电流由5mA增加到1.5A时，输出电压从某一数值5V降到4.85V，故电压调整率：（5-4.85）÷4.85=3.09%。虽然设计电源的电压调整率大于常规电源，但良好型稳压电源的电压负载率通常指标在3%-5%，故本设计电源仍符合要求。此外，电源设计中使用变压器、稳压器等元器件的价格低，数量少，电路结构较为简易，制作成本更低。

图5 Multisim仿真输出直流波形

图6 示波器实物输出直流波形

图5、6中，可看出输出直流电压波形较稳定平滑。使用示波器测量在直流电中的交流分量为50mV左右，即纹波电压，该数值大于常规直流电源的纹波电压，故电压纹波在一定程度上仍偏大，即滤波不干净，可通过加大电容值来减小纹波。为满足不同环境下电源的可靠性，在一定实验条件下还可对电源加装过流、过热保护装置。设计电源与常规直流电源参数对比如表1。