基于Altium Designer的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與仿真

宋 瑾

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州215137）

0 引 言

在各種電子設(shè)備中，一般都需要直流電源供電。這些直流電除了少數(shù)直接利用干電池外，大多數(shù)采用把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源是能夠保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定電壓的常用電子設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域中。然而，直流穩(wěn)壓電源在技術(shù)上有嚴(yán)格要求，包括穩(wěn)定度、輸出電阻、紋波電壓及溫度系數(shù)等［1］。

Altiu m Designer作為Pr otel軟件的最新版本，提供了一款統(tǒng)一的應(yīng)用方案，綜合了電子產(chǎn)品一體化開(kāi)發(fā)所需的技術(shù)和功能。該軟件擁有一個(gè)較為完善的電路仿真組件，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行電路仿真，并根據(jù)輸出信號(hào)的狀態(tài)調(diào)整電路的設(shè)計(jì)，從而極大地減少了不必要的設(shè)計(jì)失誤，提高電路設(shè)計(jì)的工作效率［2］。

仿真技術(shù)作為一種新型的科技手段已經(jīng)深入于教學(xué)和科研中。本文利用Altiu m Designer的仿真技術(shù)對(duì)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)與對(duì)比，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，還大大提高了實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

1 Altium Designer的仿真特點(diǎn)及步驟

Altiu m Designer系統(tǒng)把混合信號(hào)電路仿真完全集成到原理圖的編輯環(huán)境中，可以直接從電路原理圖進(jìn)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(tài)工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）、瞬態(tài)分析（Transient Analysis）、直流掃描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信號(hào)分析（AC Small Signal Anal ysis）、噪聲分析（Noise Anal ysis）、極點(diǎn)－零點(diǎn)分析（Pole－Zer o Analysis）、傳遞函數(shù)分析（Transfer Function Analysis）、溫度掃描分析（Temperature Sweep）、參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)用Altiu m Designer進(jìn)行瞬態(tài)分析，得出仿真電路中各工作點(diǎn)信號(hào)隨時(shí)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(gè)元件都應(yīng)該有相應(yīng)的仿真模型，這一點(diǎn)是與普通電路原理圖的區(qū)別，否則仿真過(guò)程中將出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（2）設(shè)置仿真元件的參數(shù)

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

（3）放置電源盒仿真激勵(lì)源

在電路仿真原理圖中，電源的作用是固定用來(lái)對(duì)電路進(jìn)行供電的，以保證整個(gè)電路正常工作；而仿真激勵(lì)源則是在仿真過(guò)程中，提供給電路的一種特殊的激勵(lì)信號(hào)，用于對(duì)電路的測(cè)試。對(duì)電源和激勵(lì)源同樣也要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（4）選擇測(cè)試點(diǎn)并放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)

由于仿真程序中一般只自動(dòng)提供每一個(gè)元件兩端的電壓、流過(guò)的電流，以及消耗的功率仿真顯示，而對(duì)于電路中節(jié)點(diǎn)位置的表示并不明確。因此，應(yīng)該在需要觀測(cè)的電路關(guān)鍵位置添加明確的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽，以便在仿真結(jié)果中清晰查看。

（5）對(duì)電路進(jìn)行編譯

在電路仿真運(yùn)行之前，應(yīng)對(duì)繪制好的電路仿真原理圖進(jìn)行編譯，以確保電氣連接的正確性。

（6）設(shè)置仿真方式及相應(yīng)參數(shù)

前文提過(guò)Altiu m Designer軟件提供了11種仿真方式，不同的仿真方式需要設(shè)置不同的特定參數(shù)，顯示的仿真結(jié)果也不一樣，可以從不同的角度對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)分析，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要加以選擇。

（7）執(zhí)行仿真命令

上述步驟完畢后，執(zhí)行仿真命令。

2 普通直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)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(shí)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?qū)щ娦詫⒔涣麟娮兂蓡蜗蛎}動(dòng)直流電。再利用電容、電感及電阻等元件構(gòu)成的濾波電路，將脈動(dòng)大的直流電處理成平滑的脈動(dòng)較小的直流電。最后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路部分使直流電源輸出不受外界影響的、穩(wěn)定的直流電壓。

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

圖1 直流穩(wěn)壓電源圖

工頻交流電經(jīng)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(zhuǎn)換為脈動(dòng)的直流電，后通過(guò)C1進(jìn)行濾波。穩(wěn)壓工作原理如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起UIN增大，或負(fù)載R2增大時(shí)，輸出電壓UOUT將隨之增大，即晶體管Q1發(fā)射級(jí)電位UE升高；穩(wěn)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(dǎo)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起UIN減小，或負(fù)載R2減小時(shí)，情況則相反。

運(yùn)用Altiu m Designer軟件對(duì)圖1進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。圖中的in、a、b、out分別對(duì)應(yīng)圖1中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)IN、A、B、OUT。曲線in反映了直流穩(wěn)壓電源的輸入信號(hào)波形，為幅值311 V的交流電。曲線a反映了信號(hào)經(jīng)降壓、整流后為幅值為31.1 V的直流電。曲線b反映了信號(hào)經(jīng)電容濾波后為較平滑的波形。曲線out反映了信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓后得到更加平穩(wěn)的幅值為6.5 V左右的波形。可以看出，圖2中現(xiàn)象與上述分析及理論估算值式（1）相符合。

圖2 普通直流穩(wěn)壓電源電路仿真結(jié)果

然而實(shí)用的直流穩(wěn)壓電源除了其本身特性外，還應(yīng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)，才能符合各種應(yīng)用條件。

3 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

可調(diào)直流穩(wěn)壓電源在上述直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上增加了調(diào)節(jié)功能，使輸出電壓在一定范圍內(nèi)隨意調(diào)控、連續(xù)可調(diào)。電路原理圖如圖3所示。

圖3 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源原理圖

該電路為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，在普通穩(wěn)壓電源電路基礎(chǔ)上引入放大環(huán)節(jié)。整個(gè)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)由取樣電路、基準(zhǔn)電壓、比較放大器和調(diào)整電路等環(huán)節(jié)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(zhǔn)電壓部分，Q1為調(diào)整管。

可調(diào)穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電阻變化使輸出電壓UOUT增大時(shí)，取樣電路將這一變化趨勢(shì)送到三極管Q2的基極，則Q2的基極電位UB2增大。而Q2的發(fā)射極電位UE2為基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓的關(guān)系是由分壓取樣電路調(diào)配的。調(diào)節(jié)RW就可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)分壓比，調(diào)節(jié)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(diào)為總電阻值的10%和90%大小時(shí)的輸出信號(hào)，電路輸入信號(hào)仍為工頻交流電。

圖4 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源仿真結(jié)果

圖4 與圖2比較，兩個(gè)直流穩(wěn)壓電源的輸出曲線均更加平穩(wěn)，且幅值也有所增大，說(shuō)明穩(wěn)壓效果更好。且該電路RW可調(diào)，從圖4中可以看出，當(dāng)RW調(diào)為10%大小時(shí)，輸出幅值約為12 V，當(dāng)RW調(diào)為90%大小時(shí)，輸出幅值約為18 V，兩個(gè)輸出曲線都為平穩(wěn)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(jié)束語(yǔ)

由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對(duì)電源電路的要求能夠提供持續(xù)穩(wěn)定且能滿足負(fù)載要求的電能，因此直流穩(wěn)壓電源在現(xiàn)實(shí)生活中被廣泛的運(yùn)用。Altiu m Designer軟件具有強(qiáng)大的仿真功能，且操作簡(jiǎn)便、可為大眾普遍運(yùn)用，其直觀、準(zhǔn)確、逼真的效果為電路設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的人力和物力。

［1］ 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（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(mén)到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 謝龍漢，魯 力，張桂東.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)及仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.