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集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計與模擬仿真(一)
集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計與模擬仿真
摘 要：電子設(shè)備中都需要穩(wěn)定的直流電源，功率較小的直流電源大多數(shù)都是將5OHz的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后獲得。講述了集成穩(wěn)壓電源的工作原理以及其各個組成部分，記述了我在整個設(shè)計過程中對ORCAD軟件的學(xué)習(xí)，各個部分的設(shè)計思路，對各部分電路設(shè)計方案的選擇，以及對它們的PSPICE調(diào)試，對調(diào)試結(jié)果的分析，到最后得到比較滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方方面面 。
關(guān)鍵詞：直流電源；集成穩(wěn)壓電源；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緒論
21世紀(jì)，是一個科技迅猛發(fā)展、計算機(jī)普及應(yīng)用的信息時代。計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，并已滲透到人們的科研、生產(chǎn)、工作、生活等各個領(lǐng)域。對于年輕人來說，不會計算機(jī)就等于昔日的文盲，你將在現(xiàn)代社會中寸步難行；同樣，作為新一代的電子工程師，不懂使用EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)軟件設(shè)計電子線路，也是一件不可思議的事[2]。
提到電子設(shè)計自動化，還得從上世紀(jì)80年代，世界上許多公司相繼推出用于微機(jī)系統(tǒng)的電子CAD(Computer Aided Design，計算機(jī)輔助設(shè)計)軟件說起。世界上許多公司為了自己的CAD軟件能在激烈的市場競爭中占有一席之地，紛紛推出具有自己公司特色的CAD軟件，經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)、不斷修改和完善，或優(yōu)存劣汰，或收購兼并，或強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，CAD技術(shù)已日臻成熟。CAD是一種通用技術(shù)，除了在機(jī)械、建筑等其它許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用之外，借助美國加洲大學(xué)伯克利分校的SPICE3f5/XSPICE作為仿真引擎，世界上許多公司還推出各種用于電子行業(yè)的優(yōu)秀EDA軟件；從另一個角度講，CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)是電子設(shè)計的物理級初級階段；CAE(計算機(jī)輔助工程)是電路級設(shè)計階段；EDA(電子設(shè)計自動化)是高級的電子系統(tǒng)設(shè)計階段。衡量一個軟件的優(yōu)劣，其中一個很現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)就是看它的市場占有率，也就是它的普及和流行程度。正如魯迅先生所說：“其實(shí)地上本沒有路，走的人多了，也便成了路�！� 說到EDA軟件，美國Cadence公司的OrCAD、加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、澳大利亞Altium公司的PROTEL、美國Mentor Graphics公司的PADS都是其中有代表性的佼佼者[3]。
本課程設(shè)計的設(shè)計要求：
1）集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計與模擬仿真。
2）掌握ORCAD操作和使用方法。
3）利用ORCAD軟件設(shè)計出電路圖，并對其工作原理進(jìn)行分析。
4）利用ORCAD軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行模擬與仿真分析。
2方案論證及總體框圖
2.1直流穩(wěn)壓電源的基本原理
直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備中的重要組成部分，用來將交流電網(wǎng)電壓變?yōu)榉�(wěn)定的直流電壓[4]。一般小功率直流電源由電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成。對直流穩(wěn)壓電源的主要要求是: 輸入電壓變化以及負(fù)載變化時，輸出電壓應(yīng)保持穩(wěn)定，即直流電源的電壓調(diào)整率及輸出電阻越小越好。此外，還要求紋波電壓要小。
直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖1如下。
圖1 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖
各部分的作用
（1）電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=η，式中η是變壓器的效率。
（2）整流濾波電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1，如圖2
圖2 整流濾波電路原理圖
各濾波電容C滿足RL-C＝（3~5）T/2，或中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。
（3）三端集成穩(wěn)壓器：常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式正壓集成穩(wěn)壓器有CW317（LM317）系列，它們的輸出電壓從1.25V－37伏可調(diào)，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過渡、過熱和安全工作區(qū)保護(hù)，最大輸出電流為1.5A。其典型電路如圖2.3，其中電阻R1與電位器R2組成輸出電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓Uo的表達(dá)式為：Uo＝1.25（1＋R2/R1）
式中R1一般取120－240歐姆，輸出端與調(diào)整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓（典型值為1.25V）。如圖3
圖3 三端集成穩(wěn)壓器典型電路圖
2.2集成穩(wěn)壓電源的基本原理
這是一種實(shí)用的輸出電壓連續(xù)可調(diào)的集成穩(wěn)壓電源，輸出電壓在1.25V--37V之間連續(xù)可調(diào)輸出最大電流可達(dá)1.5A，電路簡單[5]。
圖4 總體原理圖
如上圖4所示，LM317輸出電流為1.5A，輸出電壓可在1.25V--37V之間連續(xù)可調(diào)，輸出電壓由兩之外接電阻R1、RP所決定，輸出端和調(diào)整端之間的電壓差為1.25V，這個電壓將產(chǎn)生幾毫安的電流，經(jīng)R1、RP到地，在RP上產(chǎn)生了一個變化的電壓加到調(diào)整段，通過改變RP1范圍就能改變輸出電壓。注意，為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，流經(jīng)R1的電流要小于3.5mALM317在不加散熱片時最大功耗為2W，在加足夠大的散熱板時其最大功耗可達(dá)15W。D5為保護(hù)二極管，以防穩(wěn)壓器輸出段短路而損壞IC，D6用來防止輸入短路而損壞集成電路。
整流橋應(yīng)選用電流大于3A而耐壓大于50V的，二極管VD1、VD2選用1N4002；C1、C3、C4選用耐壓大于50V的電解；C2選用陶瓷電容；電阻用1/8W碳膜電阻；RP1選用5.1K電位器。
3開發(fā)平臺
3.1美國Cadence公司的OrCAD軟件
3.1Cadence公司的OrCAD 軟件，是世界上應(yīng)用最廣的EDA軟件之一，是EDA軟件中一個比較突出的代表。可以說，近年來其攻占EDA盟主寶座的企圖是很明顯的，早在1983年就與開發(fā)Pspice軟件的MicroSim公司實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，推出了可在PC機(jī)上運(yùn)行的OrCAD/Pspice1，后來Cadence公司又并購了一流的PCB布線軟件廠，使其擁有了絕佳的電路仿真和制板能力，給人以“所有好東西都集合在一起了”的感覺。OrCAD軟件功能強(qiáng)大，而且它的界面友好、直觀，在國外使用廣泛，歐美地區(qū)有相當(dāng)數(shù)量的電子工程師都在使用它。由于OrCAD軟件進(jìn)入我國時間比較晚，可參考書籍資料又比較少；該軟件設(shè)置了防盜狗，其正版售價又是眾多EDA軟件中最高的，這些都是造成在國內(nèi)使用普及率較低的原因。但隨著我國電子行業(yè)飛速發(fā)展，使用OrCAD軟件的用戶呈逐年增長的趨勢。從早期版本工作于DOS環(huán)境的OrCAD 4.0，發(fā)展到現(xiàn)在最新的OrCAD 10.5，OrCAD軟件集成了電原理圖繪制、印制電路板設(shè)計、數(shù)字/模擬電路仿真、可編程邏輯器件設(shè)計等等功能，它的元器件庫也是所有EDA軟件中最豐富的，在世界上它一直是EDA軟件的首選。Cadence公司已成為世界上最強(qiáng)大的開發(fā)EDA軟件的公司之一[6]。
OrCAD軟件系統(tǒng)中主要包括：OrCAD /Capture CIS（電路圖設(shè)計）；OrCAD /PspiceA/D（數(shù)/模混合模擬）；OrCAD /Layout Plus(PCB設(shè)計)等，其中每一個部分可以根據(jù)需要單獨(dú)使用，又有下面圖5的內(nèi)在聯(lián)系，共同組成完整的EDA系統(tǒng)。
圖5 電路設(shè)計圖
3.2 OrCAD軟件系統(tǒng)的幾個主要軟件的功能及特點(diǎn)
3.2.1 OrCAD /Capture CIS
它是OrCAD軟件包中的共用軟件，也是其它兩個軟件的基礎(chǔ)。從圖1可以看出：在調(diào)用OrCAD /PspiceA/D和OrCAD /Layout Plus之前，都需要先運(yùn)行它，它是一個功能強(qiáng)大的電路原理圖設(shè)計軟件。除了可以生成各類電路原理圖外，與其它電路圖繪制軟件相比，Capture CIS軟件中還有明顯特點(diǎn)的元器件信息系統(tǒng)模塊CIS(Component Information System)。該信息系統(tǒng)模塊除了可以對元件庫中4萬多種元器件實(shí)施高效的管理以外，還具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在設(shè)計電路圖的過程中，通過Internet網(wǎng)上其它元器件數(shù)據(jù)庫中查閱到百萬多種元器件，并可以根據(jù)繪圖需要將它們調(diào)入電路圖或添加到自己的庫文件中；用Capture軟件繪制的電路圖完成成后，還可以直接調(diào)用OrCAD /Pspice軟件進(jìn)行仿真，也可以進(jìn)入OrCAD /Layout Plus軟件進(jìn)行制板設(shè)計；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直觀形象、使用方便；操作功能強(qiáng)大、靈活，項(xiàng)目管理科學(xué)有效，適應(yīng)性很強(qiáng)，支持國際上多種標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.2 OrCAD / PspiceA/D
這是一個通用電路模擬軟件，除了對數(shù)字電路和數(shù)/�；旌想娐纺M外，還具有優(yōu)化設(shè)計的功能。該軟件中的Probe模塊，相當(dāng)于一臺“虛擬示波器”不但可以在模擬結(jié)束后顯示結(jié)果信號波形，而且可以對波形進(jìn)行各種運(yùn)算處理，包括提取電路特性參數(shù)、分析電路參數(shù)與元器件參數(shù)的關(guān)系，使分析過程更加方便直觀。2001年前后OrCAD公司推出OrCAD / Pspice9.2版本。
3.2.3 OrCAD /Layout Plus
這是一個印制電路版PCB設(shè)計軟件[7]，可以直接將生成的電路圖通過手工或自動布局布線方式轉(zhuǎn)為PCB設(shè)計。OrCAD /Capture軟件具有高水平的設(shè)計指標(biāo)：可設(shè)計的最大電路板尺寸為68(英寸)2；層次可達(dá)30層；布線最高分辨率為1微米；放置元器件時旋轉(zhuǎn)角度可精確到1分。另外還有自動推擠、矩陣布局、智能化敷銅、與多種PCB設(shè)計軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括與多種機(jī)械 CAD軟件交換數(shù)據(jù)，生成3維輪廓圖形等功能。它的元器件封裝庫非常豐富，并且可以通過庫管理器(Library Manager)對封裝庫進(jìn)行編輯、修改和添加新的封裝，OrCAD /Layout Plus軟件在PCB制板界以其功能強(qiáng)大著稱，是一款名副其實(shí)的高檔、專業(yè)PCB設(shè)計EDA軟件。
4 OrCAD/PSpice模擬仿真
4.1 OrCAD Capture
1）進(jìn)入ORCAD的集成環(huán)境
2）創(chuàng)建新項(xiàng)目：在菜單欄中選擇file>new>Project
Name:鍵入項(xiàng)目名稱,如 swth
Location：點(diǎn) Browse選擇項(xiàng)目名保存的路徑
在Create a New Project Using復(fù)選框中選擇Analog or Mixed-Signal Circuit，單擊“OK”
出現(xiàn)”Anlog Mixed-Mode Project Wizard”對話窗口
選擇左邊需求的元件庫添加到右窗的使用欄內(nèi)，然后點(diǎn)“完成”
3）電路原理圖編輯：
放置元件
放置導(dǎo)線放置接點(diǎn)
編輯元件的屬性
添加元件的屬性
產(chǎn)生元件報表_產(chǎn)生普通的元件報表
對電路圖進(jìn)行設(shè)計規(guī)則檢查
生成電路的網(wǎng)路表
4.2數(shù)模混合仿真模塊
直流分析（DC Sweep)
交流與噪聲分析（AC Sweep/Noise)
瞬態(tài)分析，即時域分析 Time Domain（Transient)
直流工作點(diǎn)分析（直流偏置分析Bias Analysis)
4.3優(yōu)化程序設(shè)計
對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，可以同時調(diào)整電路中8個元器件的參數(shù)，以滿足最多8個目標(biāo)參數(shù)和約束條件（其中至少要有一個目標(biāo)參數(shù)）的要求，從而達(dá)到設(shè)計要求中所需的電路性能指標(biāo)。有以下步驟：
1）繪制電路圖：關(guān)鍵在于在電路圖中放置OPTPARAM符號，用于設(shè)置電路優(yōu)化設(shè)計過程中需調(diào)整的元器件名稱及有關(guān)參數(shù)值。
2）根據(jù)代優(yōu)化的特性參數(shù)類別（直流、交流等）調(diào)用Pspice進(jìn)行電路模擬檢驗(yàn)，確保電路設(shè)計能正常工作，并基本滿足功能和特性要求。
3）調(diào)用優(yōu)化模塊，設(shè)置可調(diào)整的電路元器件參數(shù)、待優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)和約束條件等與優(yōu)化有關(guān)的參數(shù)。
4）啟動優(yōu)化迭代過程，輸出優(yōu)化結(jié)果。
圖6 產(chǎn)生元件報表圖
圖7 產(chǎn)生元件統(tǒng)計報表圖
4.4電源變壓器的仿真
電網(wǎng)電壓經(jīng)電源變壓器變成整流電路所要求的的交流電壓28V~ ，如圖8所示：
圖8 電源變壓器PSpice模擬仿真波形
4.5單相橋式電路的仿真
四只整流二極管接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。
整流電路的作用利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔涣麟妷鹤兂蓡畏较虻拿}動直流電壓，目前廣泛采用整流橋構(gòu)成橋式整流電路。為了消除脈動電壓的紋波電壓需采用濾波電路，單相小功率電源常采用電容濾波。在橋式整流電容濾波電路中，當(dāng)RLC≥(3～5)T/2 時，輸出電壓UO≈1.2U2 (U2為變壓器二次電壓的有效值)。如圖9所示
圖9 單相橋式電路PSpice模擬仿真波形
4.6濾波電路的仿真
整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為了獲得平滑的直流電壓，應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流成分。
濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋撥，一般由電抗元件組成，由于電抗元件中有儲能作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容具有平波作用。如圖10，11所示：
圖10 濾波電路PSpice模擬仿真波形
圖11 整流濾波電路PSpice模擬仿真波形
4.7穩(wěn)壓電路的仿真
穩(wěn)壓電路用來在交流電源電壓波動或負(fù)載變化時，穩(wěn)定直流輸出電壓。目前廣泛采用集成穩(wěn)壓器，在小功率供電系統(tǒng)中多采用線性集成穩(wěn)壓器，而中、大功率穩(wěn)壓電源一般采用開關(guān)穩(wěn)壓器。[2]
線性集成穩(wěn)壓器中調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)，且工作在線性放大狀態(tài)，它由調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓、取樣電路、比較放大電路以及保護(hù)電路等組成。開關(guān)穩(wěn)壓器中調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，其效率比線性穩(wěn)壓器高得多，而且這一效率幾乎不受輸入電壓大小的影響，即開關(guān)穩(wěn)壓電源有很寬的穩(wěn)壓范圍。如圖12，13所示
圖12 負(fù)載電路PSpice模擬仿真波形
當(dāng)今飛速發(fā)展的電子技術(shù)是高科技的重要組成部分之一。此次電子技術(shù)課程設(shè)計的主要目的是訓(xùn)練我們的綜合設(shè)計能力、電子線路的組裝調(diào)試能力與創(chuàng)新能力。經(jīng)過查資料，選方案，設(shè)計電路，仿真調(diào)試，寫報告的過程，使我們得到一次科學(xué)研究工作的啟蒙訓(xùn)練。
電子技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)任務(wù)是通過解決一、兩個實(shí)際問題，鞏固和加深在相關(guān)課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，初步掌握電子電路的基本設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計能力和調(diào)試能力，為今后的畢業(yè)設(shè)計和從事電子技術(shù)方面的科研、開發(fā)工作打下一定的基礎(chǔ)[1]。
經(jīng)過了這次為期2周的實(shí)驗(yàn)，我的收獲頗多，體會也不少。首先，我深刻地了解了實(shí)驗(yàn)的重要性，許多科學(xué)理論的建立也都是從實(shí)驗(yàn)中見到先兆，并通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有自己動手，通過實(shí)驗(yàn)來確定以前理論上的結(jié)果，并且為將來的研究打下基礎(chǔ)，才能不斷探索出新的科學(xué)奧秘。在實(shí)驗(yàn)中我們多次發(fā)現(xiàn)，即使圖紙的連接方法完全成立，但是也有可能產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。這就充分說明了只有理論是不行的。只有通過實(shí)驗(yàn)，使我們理論聯(lián)系實(shí)際，才可以很好的充實(shí)我們實(shí)驗(yàn)報告，也能夠完善我們的方法。
通過這次實(shí)驗(yàn)，我的克服困難，解決問題的能力也得到了鍛煉。這次實(shí)驗(yàn)遇到了許多大大小小的問題；從困難中發(fā)現(xiàn)希望，從問題中發(fā)現(xiàn)真理是我做實(shí)驗(yàn)所得到的收獲。所以，只要不輕言放棄，本著一顆平常心，失敗了不氣餒，成功了也不驕傲，就一定成功地完成實(shí)驗(yàn)。
最后，感謝李成軍等老師為我們提供這次的學(xué)習(xí)的機(jī)會和悉心的指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
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[2] 賈新章等. OrCAD/Capture CIS 9實(shí)用教程. 西安電子科技大學(xué)出版社.2000
[3] 賈新章等. OrCAD/Capture 9實(shí)用教程. 西安電子科技大學(xué)出版社.1999
[4] 權(quán)海洋.超大規(guī)模集成電路設(shè)計與實(shí)踐.西安電子科技大學(xué)出版社.2003
[5] 高德遠(yuǎn).超大規(guī)模集成電路－系統(tǒng)和電路的設(shè)計原理.高等教育出版社.2003
[6] 高保嘉.MOS VLSI分析與設(shè)計.電子工業(yè)出版社.2002
[7] Martin,K.Digital Integrated Circuit Design.電子工業(yè)出版社.2002
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