基于Altium Designer的直流穩壓電源設計與仿真

宋 瑾

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州215137）

0 引 言

在各種電子設備中，一般都需要直流電源供電。這些直流電除了少數直接利用干電池外，大多數采用把交流電轉換為直流電的直流穩壓電源。直流穩壓電源是能夠保證在電網電壓波動或負載發生變化時，輸出穩定電壓的常用電子設備。它廣泛應用于儀器儀表、工業控制及測量領域中。然而，直流穩壓電源在技術上有嚴格要求，包括穩定度、輸出電阻、紋波電壓及溫度系數等［1］。

Altiu m Designer作為Pr otel軟件的最新版本，提供了一款統一的應用方案，綜合了電子產品一體化開發所需的技術和功能。該軟件擁有一個較為完善的電路仿真組件，可以根據設計的原理圖進行電路仿真，并根據輸出信號的狀態調整電路的設計，從而極大地減少了不必要的設計失誤，提高電路設計的工作效率［2］。

仿真技術作為一種新型的科技手段已經深入于教學和科研中。本文利用Altiu m Designer的仿真技術對直流穩壓電源進行設計與對比，不僅降低了實驗成本，還大大提高了實驗質量。

1 Altium Designer的仿真特點及步驟

Altiu m Designer系統把混合信號電路仿真完全集成到原理圖的編輯環境中，可以直接從電路原理圖進行大量的仿真分析。該軟件一共提供了11種仿真方式，包括靜態工作點分析（Operating Point Analysis）、瞬態分析（Transient Analysis）、直流掃描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信號分析（AC Small Signal Anal ysis）、噪聲分析（Noise Anal ysis）、極點－零點分析（Pole－Zer o Analysis）、傳遞函數分析（Transfer Function Analysis）、溫度掃描分析（Temperature Sweep）、參數掃描（Parameter Sweep）、蒙特卡洛分析（Monte Carlo Analysis）等。其仿真引擎不但支持SPICE 3f5／Xspice標準，而且還支持目前很多制造商采用的Pspice模型，為用戶提供了更廣泛的元件仿真選擇。本文主要運用Altiu m Designer進行瞬態分析，得出仿真電路中各工作點信號隨時間變化的情況。

Altiu m Designer的電路仿真步驟如下［3］：

（1）電路仿真原理圖的繪制及編輯

需要特別注意的是，在仿真電路原理圖中放置的每一個元件都應該有相應的仿真模型，這一點是與普通電路原理圖的區別，否則仿真過程中將出現錯誤。

（2）設置仿真元件的參數

由于進行仿真的目的是為了給元件選擇合適的電路參數，因此，在繪制好電路仿真原理圖以后，每一個元件的參數設置是必不可少的。

（3）放置電源盒仿真激勵源

在電路仿真原理圖中，電源的作用是固定用來對電路進行供電的，以保證整個電路正常工作；而仿真激勵源則是在仿真過程中，提供給電路的一種特殊的激勵信號，用于對電路的測試。對電源和激勵源同樣也要進行參數設置。

（4）選擇測試點并放置網絡標號

由于仿真程序中一般只自動提供每一個元件兩端的電壓、流過的電流，以及消耗的功率仿真顯示，而對于電路中節點位置的表示并不明確。因此，應該在需要觀測的電路關鍵位置添加明確的網絡標簽，以便在仿真結果中清晰查看。

（5）對電路進行編譯

在電路仿真運行之前，應對繪制好的電路仿真原理圖進行編譯，以確保電氣連接的正確性。

（6）設置仿真方式及相應參數

前文提過Altiu m Designer軟件提供了11種仿真方式，不同的仿真方式需要設置不同的特定參數，顯示的仿真結果也不一樣，可以從不同的角度對電路進行檢測分析，應根據實際需要加以選擇。

（7）執行仿真命令

上述步驟完畢后，執行仿真命令。

2 普通直流穩壓電源

直流穩壓電源電路結構一般由變壓、整流、濾波和穩壓四部分組成。先利用電源變壓器將交流電壓變換為大小合適的交流電壓，以滿足整流輸出的要求。有時也可利用其它方式降壓，而不用變壓器。然后利用二極管單向導電性將交流電變成單向脈動直流電。再利用電容、電感及電阻等元件構成的濾波電路，將脈動大的直流電處理成平滑的脈動較小的直流電。最后經過穩壓電路部分使直流電源輸出不受外界影響的、穩定的直流電壓。

如圖1所示為一直流穩壓電源電路圖。其中仿真信號源為頻率50 Hz，幅值311 V的正弦波信號。穩壓管D2的穩定電壓為6.8 V。

圖1 直流穩壓電源圖

工頻交流電經10：1的變壓器降壓后得到幅值為31.1 V的交流電。VD1～VD4組成橋式整流電路把交流電轉換為脈動的直流電，后通過C1進行濾波。穩壓工作原理如下：當電網電壓波動引起UIN增大，或負載R2增大時，輸出電壓UOUT將隨之增大，即晶體管Q1發射級電位UE升高；穩壓管D2兩端電壓基本不變，即晶體管Q1的基極電位UE基本不變；故晶體管Q1的UBE（＝UB－UE）減小，導致IB（IE）減小，從而使UOUT減小；因此可以保持UOUT基本不變。反之，當電網電壓波動引起UIN減小，或負載R2減小時，情況則相反。

運用Altiu m Designer軟件對圖1進行仿真，仿真結果如圖2所示。圖中的in、a、b、out分別對應圖1中網絡標號IN、A、B、OUT。曲線in反映了直流穩壓電源的輸入信號波形，為幅值311 V的交流電。曲線a反映了信號經降壓、整流后為幅值為31.1 V的直流電。曲線b反映了信號經電容濾波后為較平滑的波形。曲線out反映了信號經穩壓后得到更加平穩的幅值為6.5 V左右的波形。可以看出，圖2中現象與上述分析及理論估算值式（1）相符合。

圖2 普通直流穩壓電源電路仿真結果

然而實用的直流穩壓電源除了其本身特性外，還應在一定范圍內可調，才能符合各種應用條件。

3 可調直流穩壓電源

可調直流穩壓電源在上述直流穩壓電源的基礎上增加了調節功能，使輸出電壓在一定范圍內隨意調控、連續可調。電路原理圖如圖3所示。

圖3 可調直流穩壓電源原理圖

該電路為了實現輸出電壓可調，在普通穩壓電源電路基礎上引入放大環節。整個穩壓環節由取樣電路、基準電壓、比較放大器和調整電路等環節組成。其中Q2為比較放大管，R1是Q2的上偏置電阻，R5和R6是Q2的下偏置電阻，R5、R6和RW組成取樣電路。D2為基準電壓部分，Q1為調整管。

可調穩壓原理如下：當電網電壓波動或負載電阻變化使輸出電壓UOUT增大時，取樣電路將這一變化趨勢送到三極管Q2的基極，則Q2的基極電位UB2增大。而Q2的發射極電位UE2為基準電壓固定不變，因此UBE2增大，IB2增大，UCE2減小，故集電極電位UC2減小，使Q1的基極電位UB1減小，其基極電流IB1也隨之減小，IC1也因此而減小，UCE1增大，致使輸出電壓UOUT下降，這樣就使輸出電壓保持不變。

從該電路可以看出，輸出電壓與基準電壓的關系是由分壓取樣電路調配的。調節RW就可以在一定范圍內調節分壓比，調節輸出電壓。

該電路基于Altiu m Designer的仿真效果如圖4所示。其中UOUT分別為RW調為總電阻值的10%和90%大小時的輸出信號，電路輸入信號仍為工頻交流電。

圖4 可調直流穩壓電源仿真結果

圖4 與圖2比較，兩個直流穩壓電源的輸出曲線均更加平穩，且幅值也有所增大，說明穩壓效果更好。且該電路RW可調，從圖4中可以看出，當RW調為10%大小時，輸出幅值約為12 V，當RW調為90%大小時，輸出幅值約為18 V，兩個輸出曲線都為平穩的電壓波形，且比例取值越大，輸出電壓幅值也隨之變大。

4 結束語

由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求能夠提供持續穩定且能滿足負載要求的電能，因此直流穩壓電源在現實生活中被廣泛的運用。Altiu m Designer軟件具有強大的仿真功能，且操作簡便、可為大眾普遍運用，其直觀、準確、逼真的效果為電路設計節省了大量的人力和物力。

［1］ 童詩白.模擬電子技術基礎（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 周 冰，李 田，胡仁喜.Altiu m Designer Su mmer 09從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［3］ 謝龍漢，魯 力，張桂東.Altium Designer原理圖與PCB設計及仿真［M］.北京：電子工業出版社，2012.