基于Multisim10仿真软件的多输出直流稳压电源设计

基于Ｍｕ１ｔｉｓｉｍｌＯ仿真软件的多输出直流稳压电源设计　电工电气　（２０１３　Ｎｏ．８）　基于Ｍｕ　ｌ　ｔ　ｉ　ｓ　ｉ　ｍｌ　Ｏ仿真软件的多输出直流稳压电源设计　刘磊，胡海燕，李伟达，李娟，秦佳　（苏州大学机电工程学院，江苏苏州２１　５０２１）　摘要：提出了一种多输出线性直流稳压电源的设计，以固定式集成稳压器为核心，可以提供多个　固定的直流电压输出。使用ＥＤＡ软件平台ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ对电源设计过程进行仿真分析，针对仿真过程中发　现的问题提出解决方案，提高了实验效率。经对电源样机的实验测试，该电源性能良好、工作可靠，输　出电压和输出电流、稳压系数和纹波电压均满足设计要求，可以满足实验设备对多种直流电的需要。　关键词：直流稳压电源；多输出；ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ仿真软件　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—３１７５（２０１３）０８—００２５—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ　ＤＣ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ　Ｌ］Ｕ　Ｌｅｉ，ＨＵ　Ｈａｌ—ｙａｎ，Ｌ１　Ｗｅｉ－ｄａ，Ｌ１　Ｊｕａｎ，ＱＩＮ　Ｊｉａ　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｏｃｈｏｗ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒａｉｓｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｕｌｔｉ—ｏｕｔｐｕｔ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ（ＤＣ）ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｕｐｐｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｉｘｅｄ　ｔｙｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ（ＩＣｓ），ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｉｆｘｅｄ　ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｕｔｐｕｔｓ．ＥＤＡ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　１０　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．Ｉｎ　ａｌｌｕｓｉｏｎ　ｔｏ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒａｉｓｅｄ　ｓｅｔｔｌｉｎｇ　ｐｌａｎ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｈａｔｔ　ｈｉｔｓ　ｔｙｐｅ　ｏｆｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｇｏｏｄ　ｉｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｉｎ　ｗｏｒｋ，ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎ　ｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｖｏｌａｇｅ　ｃｏｅｆｔｉｃｉｅｎｔｆ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｒｉｐｐｌｅ　ｖｏｌｔａｇｅ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｍｕｌｔｉ—ＤＣ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｒｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｖｏｌａｇｅ　ｔｓｕｐｐｌｙ；ｍｕｌｔｉ—ｏｕｔｐｕｔ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　０引言　在实验研究和工业自动化生产过程中，涉及　大量的动态检测和控制问题，直流稳压电源输出　稳定性是保证获得高检测精度的前提，其性能是　否良好直接影响到电子产品的精度、稳定性以及　可靠性，故电源这一关键设备在电子电路中占有　重要的地位，它是电子、电器、自动化设备中的　基本组成部分。　因此，本文针对实际应用中的需求，提出了一　１方案制定　该电源主要由电源变压器、单相桥式整流电路、　滤波电路和稳压电路等部分所组成，其基本框图如　图ｌ所示。　整　流　电　路　滤　波　电　路　稳　压　电　路　一　口吼　一　图１直流稳压电源方框图　种以集成稳压器为核心组成的多输出线性直流稳压　电源，以进一步提高驱动电源的实用性与可靠性。　文中将仿真、设计和实验相结合，使用仿真软件　ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ对电源设计过程各模块电路进行仿真分　先利用变压器将电网中２２０　Ｖ的交流电变成合　适的交流电；整流电路将交流电转换为脉动的直流　电；滤波电路将脉动直流中的交流成分滤除，提升　脉动直流中的直流成分；稳压电路采用集成稳压芯　片，进一步稳定整流后的直流电压。单向交流电经　过这几部分电路后即可转换成正负输出的稳定直流　电压，其电压变化过程如图２所示　。　析，在此基础上对电路进行改进设计和优化结构，　最后进行实验测试…。　作者简介：刘磊（１９８８一），男，硕士研究生，研究方向为机器人优化与控制、微小型机器人。　一２５—　电工电气　（２０１３　Ｎｏ．８）　图２直流稳压电源电压变化过程　２直流稳压电源电路设计和仿真分析　直流稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出　电压　、输出电流　。、输出纹波电压△　…等性能指　标要求，确定变压器、集成稳压电源等设备。　２．１电源变压器的选择　电源变压器起降压作用，将２２０Ｖ　ＡＣ电压　变　为整流电路所需的低压交流电［，１。由［，　＝±１２Ｖ　ＤＣ，　可估算变压器次级线圈电压的有效值　约为ｌ５Ｖ，　由Ｉｏ￣ａｘ＝２　Ａ计算变压器副边功率ｐ２＝ｕ２￣Ｉ２＝１５￣　２＝３０　Ｗ，原边功率Ｐ　＝Ｐ２／￣＝３０／０．７≈４２．８６　Ｗ，变压器　总功率尸＝（尸１＋　）／２≈３６．４３Ｗ，故可选用单相２２０Ｖ　ＡＣ输入，功率为１００Ｗ，次级输出为±ｌ５Ｖ的电源变　压器。利用Ｍｕｌ　ｔ　ｉ　Ｓ　ｉｍｌ０的虚拟电子实验平台对所选　电源变压器的降压电路进行仿真如图３所示，在仿　真过程中将交流电源的属性设为２２０　Ｖ　ＡＣ、５０　Ｈｚ，通　过改变变压器的属性，将变压器次级电压输出调试　为ｌ５　Ｖ　ＡＣ，作为后面整流电路的输入。　示波器ＸＳＣ２　２２０Ｖ　５０Ｈｚ　图３直流稳压电源降压电路　仿真结果如图４所示，两条曲线分别为输入交　流电压波形和降压后电路电压波形，二者相位相等　幅值不同，为后面整流电路做好准备。　３００　之１００　一１００　－３００　Ｏ　４Ｏ　８０　１２０　１６０　２００　时间／ｍｓ　图４直流稳压电源降压电路仿真　—２６一　基ｆＭｕｉｔｉｓｉｍｌＯ仿真软件的多输出直流稳压电源设计　２．２整流电路的选择　整流电路是将正弦波电压转换为单一方向的脉　动信号，常用的整流电路有单相半波整流电路与单　相桥式整流电路两种。采用单相桥式整流电路如图５　所示，仿真结果如图６所示。　示波器ＸＳＣｌ　２２０Ｖ　５０Ｈｚ　图５直流稳压电源整流电路　＞　＼　０　Ｕ　４Ｕ　ｂＵ　Ｕ　ｌＵＵ　时间／ｍｓ　图６直流稳压电源整流电路仿真　设变压器副边电压为：　ｕ＝　Ｕｚｓｉｎ￣ｔ　（１）　则整流后的输出电压平均值可表示为：　Ｕｏ（Ａｖ）＝÷Ｊ’：　ｓｉｎ（　ｔ）ｄ（　ｔ）≈０．９／］２　（２）　于是，全波整流电路的电流大小为：　Ｕｏ（Ａｖ）　。（ＡＶ）＝　■　二极管平均电流：　０．４５Ｕ２　（４）　ｒ：　：——２　一　二极管最大反向电压：　＝　（５）　２．３滤波电路的选择　滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动　直流电压中的纹波（单向脉动直流电中含的交流　成分）滤除掉，使单向脉动电压变成平滑的直流　电压。采用Ｍｕｌ　ｔ　ｉ　Ｓ　ｉ　ｍｌ０设计直流稳压电源ＲＣ滤　波电路如图７所示，采用电容滤波时，多采用大　容量的电解电容，电容的耐压值应大于它实际工　作时所承受的最大电压，耐压值一般取所接工作　电路电压的１．５～２倍　。为了降低输出直流电　压的纹波系数（输出电压中交流分量占额定输出　直流电压的百分比）。。］，本文正、负电源的滤波电　路均采用一个２　０００ｕｖ／５ｏＶ的电解电容　。仿真　基于ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ仿真软件的多输出直流稳压电源设计　结果如图８所示。　示波器ＸＳＣ１　２２０Ｖ　５０Ｈｚ　图７直流稳压电源ＲＣ滤波电路　３Ｏ　＞　＼　１Ｏ　１０　Ｕ　２０　４Ｕ　６０　８０　ｌＵＵ　时间／ｍｓ　图８直流稳压电源Ｒｃ滤波电路仿真　尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，还　需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。设电网电压　的周期为　，电容每次充电均可达到　的峰值，ＲＬＣ　放电的起始斜率直线下降，经ＲＬＣ交于横轴，且在　２处的数值为最小值‰　，则输出电压的平均值为：　ｆｆ　＋ｆｉ　（Ａｖ］＝　（６）　厶　其中，　Ｄ（Ａ　）为交流电压值，　。　为半周期电压　最小值，　…　为半周期电压最大值。按相似三角形　关系可得：　７＇　（Ａｖ）＝　（卜。　）　（７）　Ｌ　在实际电路中，电容的耐压值应大于１．２Ｖ￣ｕ．２，　且滤波电容应满足　（３～６）　２。　２．４稳压电路的选择　滤波电路的输出电压虽已变得平滑，但输出电　压　随负载变化较大，后面需接稳压电路。稳压电　路的作用是当交流电源电压波动、负载及温度变化　时，维持输出稳定的直流电压。选择集成稳压器时　应先确定稳压器的类型，是固定式还是可调式，是　正压输出还是负压输出，然后根据其额定电压和额　定电流选择具体型号　蚓。　固定式集成稳压器有输入、输出、公共端３个端　子，常见类型有ＬＭ７８ＸＸ系列，输出正电压；ＬＭ７９ＸＸ　系列，输出负电压。每一种系列在５～２４Ｖ范围内　有７种不同的挡位，负载电流可达１　Ａ，型号中的后　两位数字表示稳压器的输出电压值。　设计要求中直流稳压电源输出电压Ｕｏ＝±１２　Ｖ，　电工电气（２０１３　Ｎｏ．８）　查手册可知ＬＭ７８１２、ＬＭ７９１２的输出电压为±ｌ２　Ｖ，　最大输出电流１．５Ａ，且必须加散热片。各方面　条件均能满足要求，因此选择三端集成稳压器　ＬＭ７８１２、ＬＭ７９１２构成稳压电路，构建起直流稳压　电源的基本形式如图９所示。　图９三端集成直流稳压器Ｌ￣７８１２引脚图及外形图　旁路电容ｃｏ（０．３３　ｕＦ）、Ｃ　（０．１　ＩＪＦ）的作用是抑　制电路中可能产生的白激振荡，当稳压器距离整流　滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容　，以　抵消线路的电感效应，防止产生白激振荡。输出端　电容　用以滤除输出端的高频信号，改善电路的　暂态响应。旁路电容尽量放在管脚根部，其中引脚　１的电容大于引脚３的电容，是为了防止ｌ处的电　容漏电时，放电速度大于３处（输出端）的速度，　导致稳压器倒置而损坏。　运用ＬＭ７８１２和ＬＭ７９１２稳压器，可以组成正、　负对称输出的稳压电路。图１０为±１２Ｖ稳压电源　电路，Ｄ　、【）２为保护二极管，用以防止正或负输入　电压有一路未接入时损坏集成稳压器。　Ｖ　＋ＪｌＣ１　匕　Ｉ　一　Ｄｌ　Ｔ　—Ｔ＿　＋Ｔ　Ｉ　止　一　Ｄ２　—　　Ｉ—　—Ｔ＿　　ｌＩ…　Ｉ　Ｖ　图１０±１２　Ｖ输出电压集成稳压电源电路　根据选定的元件及电路形式，用Ｍｕｌｔｉ　Ｓｉｍｌ０　软件构建仿真环境，使用虚拟实验仪器构建仿真电　路。在输入端加入幅值Ｕ　＝２２０　Ｖ，频率为５０　Ｈｚ的　交流电压。用示波器ＸＳＣ１显示稳压器输出电压值　如图１１所示。　＞　＼　时间／ｍｓ　图１１直流稳压电源的性能仿真图　一２７—　电工电气（２０１３　Ｎｏ．８）　基于Ｍｕ１ｔｉｓｉｍｌＯ仿真软件的多输出直流稳压电源设计　从图中可看出电源电压经降压、整流、滤波和　稳压后０．３　Ｓ即可输出恒定的电压值。　实验平台指导可调直流稳压电源设计，能实时直观　地反映电路设计的仿真结果，验证电路正确性，使　实验设计过程变得花费少、效率高、周期短，也使　３实验与结果　多输出直流稳压电源主要由变压器和电压转换　模块构成，给变压器接上电源，用四通道示波器测　量输出端口电压。　得实验设计准确性和完整性大大提高。　设计的多输出线性直流稳压电源利用集成稳压　器构成，结构简单、元器件较少，且不需要投切开　关，干扰源和瞬变噪声相应地大大减少：工业变压　器的运用也减少了系统串入干扰的机会，且不会将　干扰串入市电网，并能作为一个独立的模块为其他　电子设备提供电能。　当电网电压向上和向下分别波动５％的时候，　示波器结果显示稳压器输入电压分别为１６．１４４Ｖ　和１５．１２５Ｖ，稳压器输出电压分别为１２．３９２Ｖ和　１２．３５９　Ｖ。稳压系数根据下式求得：　ａＱ／Ｑ参考文献　［１］孔保军．直流稳压电源的设计及制作［Ｊ］．电子制　作，２００６（６）：３８—４Ｏ．　△　／　１．　ｏ１９／１６　等－．　１４４　０………。．０４２２＜０．０５０　：　由测试结果可见，该电源可提供稳定的±１２Ｖ　［２］李雪丽，陈伟，李运生，等．基于Ｐｒｏｔｅｕ　ｓ的双直　流稳压电源的设计与仿真［Ｊ］．制造技术与机床，　２０１０（１２）：５３－５７．　输出电压，且性能比较优越，误差较低，稳压系数　小于０．０５。但值得注意的是各稳压芯片必须安装散　热片，同时变压器要有足够的功率才能保证整个电　［３］王聪敏，李少娟，林艳红，等．直流稳压电源的设计　［Ｊ］．西安邮电学院学报，２０１１，１６（Ｓ１）：１０３—１０５．　路的正常工作。　［４］殷红彩，葛立峰．一种多输出直流稳压电源的设计　［Ｊ］．传感器世界，２００６，１２（９）：２２—２５．　４结语　本文基于直流稳压电源的结构与工作原理，完　成了对直流稳压电源电路的设计，实现了电压稳定　输出的目的。通过对双直流稳压电源的分析设计、　仿真测试可以看出，利用Ｍｕｌｔｉ　ＳｉｍｌＯ的虚拟电子　［５］黄丽贤．基于Ｍｕ１　ｔ　ｉ　Ｓ　ｉｉｎ的直流稳压电源的仿真分析　［Ｊ］．光盘技术，２００８（１Ｏ）：３８．　［６］杨瑞兰，翟学东．基于Ｍｕ　ｎ　ｉ　Ｓ　ｉ　ｍ的直流稳压电源设　计［Ｊ］．电子测试，２００７（４）：３７～４１．　收稿日期：２０１３—０５—１６　《电工电气》征稿启事　《电工电气》杂志是经国家新闻出版总署批准，由《江苏电器》杂志更名而来。　《电工电气》的办刊宗旨　及业务范围为：追踪行业热点，报道前沿技术，传递市场信息，搭建行业技术交流和推广应用平台，推动电工　电气技术发展，为电工电气行业服务。《电工电气》主要刊登电工电气、高低压电器及成套设备和控制设备、无　功补偿、节能技术、计算机在电工电气领域的应用等方面的科研、设计、标准、检测及新技术、新工艺、新材　料等的论文、技术报告和信息与技术交流方面的文章，不收版面费，并支付稿费。欢迎广大作者踊跃投稿，对　有价值、水平高的论文将优先刊登。　《电工电气》编辑部　２０１３年８月　一２８～