變壓器與穩壓電路的綜合設計

刁成妍，王宗梁，牛天健

（山東科技大學濟南校區，山東 濟南 250000）

引言

本次設計以Matlab、Multisim、Altuim Designer等軟件為基礎，完成設計線性電源電路的任務。設計的電路圖中使用了功率變壓器、二極管、電阻、電容、集成穩壓器等器件，可完成多路輸出電壓。對設計的電路進行仿真實驗，能夠實現電壓轉換、濾波處理以及輸出穩定電壓等功能。

1 設計任務

要求設計一款低紋波直流穩壓電源，設計內容可分為功率變壓器的設計和整流穩壓電路的設計兩部分。設計功率變壓器是為了達到電壓變換的目的，一般是將高電壓轉換為低電壓，并傳送給后面的整流電路。整流穩壓電路是將功率變壓器轉換得到的低電壓進行濾波、穩壓處理。變壓器、整流電路、濾波電路等共同構成線性電源電路。線性電源電路通過變壓、整流、濾波、穩壓四個環節濾去不穩定的脈動、干擾成分。具體要求如表1所示。

表1 設計參數

2 功率變壓器設計

2.1 設計原理

進行合理的結構設計，以便于繞制，方便生產、安裝，且方便散熱。

利用降壓變壓器實現電壓變換的目的。功率變壓器將一次交流電壓變換為整流所需要的二次交流電壓。在本次設計中，是將220 V的輸入電壓降為12 V的輸出電壓，并送給整流電路。由于變壓器存在鐵損和銅損，因此輸出功率小于輸入功率。功率變壓器可以根據需要自行設計一次、二次繞線，要求漏磁要盡可能小，減少繞組的漏感。

2.2 設計思路、方案及設計步驟

設計功率變壓器時采用的是磁芯幾何常數法，通過磁芯幾何常數Kg的值選擇合適的磁芯。據題目給出的參數要求列出公式，并借助Matlab計算，從而確定變壓器的視在功率、損耗、溫升以及調整率等參數，以及一次、二次繞組的匝數、損耗，并根據計算結果選擇合適的一次、二次導線。

變壓器設計的基本步驟之一就是要選擇一個合適的磁心材料，不同材料在成本、尺寸、頻率和效率方面有自己的優缺點，在設計過程中要綜合考慮這些因素。此外，也要盡量滿足變壓器的體積和質量最小，并盡可能降低成本。但是需要注意的是，在實際設計時，這些約束條件往往很難同時滿足。因此，設計時要對相關參數進行合理的折中處理。

具體設計步驟如下頁表2所示。

表2 設計步驟

2.3 設計結果

第一次選用了14 mil厚EI疊片磁芯，型號為EI-112的疊片磁芯，在計算過程中發現調整率遠大于6%。選用DU-75型號磁芯，但是，需要的導線裸面積遠大于AWG系列中最大裸面積導線。經過多次嘗試、分析計算，選用了14 mil厚EI疊片磁芯中的EI-125型號疊片磁芯，一次側選擇AWG 23號導線，二次側選擇AWG 10號導線。

3 穩壓電路設計

3.1 設計原理

直流穩壓電源是一種將交流電壓轉換成穩定輸出的直流電壓的裝置，需要經過變壓、整流、濾波、穩壓這四個環節才能完成。因此，直流穩壓電源由變壓（即電源變壓器）、整流電路、濾波電路、以及穩壓電路這四個部分組成。

3.2 設計步驟

穩壓電路設計分為變壓、整流、濾波和再次穩壓四個步驟。

3.2.1 變壓

變壓電路主要是設計一個滿足要求的功率變壓器。本次設計，是將220 V的輸入電壓降為12 V的輸出電壓。

3.2.2 整流電路

將交流電壓轉換為脈動直流電壓。常用整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流。

1）半波整流：電路簡單，用到的二極管數目少。但是電路利用率較低

2）全波整流：全波整流雖然輸出電壓波動減小了，但變壓器需要的繞線太多。

3）橋式整流：雖然橋式整流需要的二極管多，但是它克服了全波整流要求變壓器二次端要有中心抽頭的缺點。顯然，橋式整流的利大于弊。

綜合考慮，本次設計利用二極管的單向導電性進行整流，選擇橋式整流。

3.2.3 濾波電路

1）電感濾波：電感可以阻止負載電流變化，并使之趨近平直。但是一般的電感濾波只適用于大電流、低電壓的場合。

2）π型LC濾波電路：電容對交流的阻抗小，電感對交流的阻抗大，所以負載上的紋波電壓較小。但是負載要消耗功率，這樣會造成電源損耗功率較大，因此電源的功率降低。

3）電容濾波電路：整流電路后面加上濾波電容，一方面使輸出電壓更加平滑，減少波紋，另一方面增大了輸出電壓的平均值。

綜合上述分析，選擇電容濾波電路進行濾波。

4）電容值的確定：電容濾波電路需要一個較大的電容，但是考慮到不能過大，因此采取經驗值計算的方法，并且結合仿真實驗驗證結果的正確性。經過仿真實驗，將電容值調整為2 200μF。

3.2.4 穩壓電路

由于實際過程中外界環境的多變性，需要再添加一級穩壓電路，以保證直流輸出電壓的穩定輸出，本次設計采用集成穩壓器。在設計小功率穩壓電源時，一般選用三端穩壓器。三端穩壓器可以分為固定式和可調式，正電壓輸出和負電壓輸出。根據設計要求，固定式三端穩壓器可以滿足本次設計要求，選用LM7805系列穩壓器。

為了達到直流輸出為5 V的要求，通過查閱芯片手冊，選用LM7805CT型號芯片。通過仿真證明，這一芯片滿足要求。通過上網查閱資料，發現LM7805CT所在的穩壓電路中往往選用0.1～0.3μF的小電容。通過仿真實驗，最終選用了0.1μF的電容。

4 電路仿真

由于計算設計過程難免出現誤差，導致最后的設計結果不一定精準。為了保證最后設計的準確性，需要通過仿真實驗來驗證結果是否合理，并進一步改進。最終的電路仿真圖如圖1所示。

選用GSIB1580—E3/45型號整流橋，2 200μF和0.1μF的電容，10Ω的電阻，峰值為16.97 V、頻率為60 Hz的交流電源以及LM7805CT芯片。分別對整流電路、濾波電路以及穩壓電路進行仿真，驗證結果的正確性。結果表明，滿足設計要求。

5 結語

通過設計功率變壓器以及整流穩壓電路，借助Matlab計算、Altuim Designer畫圖、Multisim仿真最終設計出一款低紋波直流穩壓電源，能夠實現電壓轉換、濾波處理以及輸出穩定電壓等功能。