直流可调稳压电源的设计与Proteus仿真应用

　　直流稳压电源的作用是通过把50Hz 的交流电变压、整流、滤波和稳压从而使电路变成恒定的直流电压，供给负载。设计出的直流稳压电源应不以电网电压的波动和负载的变换而改变。

　　直流稳压电源的种类有很多，常用的是串联型直流稳压电源，而由于集成技术的发展，集成稳压器件方便而可靠，逐渐代替了串联型直流稳压电源中的调整管及相关电路。

　　主要的集成稳压器件有： 固定式稳压器件W78XX 和W79XX; 可调式稳压器件W117、W217和W317。

　　W78XX 稳压器件用来稳定正电压，而W79XX稳压器件用来稳定负电压。它们的输出电压各有7个等级，W78XX 输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V 和24V.如W7805 输出+ 5V 直流电压，W7809输出+ 9V 直流电压。输出电流有三个等级，分别为1. 5A、0. 5A（ M） 和0. 1A（ L） 。如W7805 最大输出电流为1. 5A，W78M05 最大输出电流为0. 5A，W78L05最大输出电流为0. 1A。

　　可调式稳压器件LM117 /LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117 /LM317 的输出电压范围是1. 25 - 37V，负载电流最大为1. 5A.它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117 /LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。

　　1 Proteus 软件

　　Proteus 软件是由英国Labcenter Electronics 公司开发的EDA 工具软件，已有近20 年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美。它的电路仿真功能可以和Multisim 相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim 及其他任何仿真软件都不具备的； 它的PCB 电路制版功能可以和Protel 相媲美。

　　Proteus 是一个基于ProSPICE 混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS 和ARES 应用软件。

　　Proteus ISIS 实现了单片机仿真和SPICE 电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和LCD 系统仿真等功能； 有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能； 同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。

　　ARES ---高级PCB 布线编辑软件。

　　ARES PCB 设计系统的主要特性表现在：

　　有16 个铜箔层，2 个丝印层和4 个机械层； 能够将元件进行任意角的布置； 在放置元件时能够自动生成飞线（ Ratsnest） 和力向量； 具有理想的基于网表的手工布线系统； 物理设计规则检测功能可以保证设计的完整性； 具有超过1000 种标准封装的元件库； 具有完整的CADCAM 输出以及嵌板工具； 当用户修改了原理图并重新加载网表，ARES 将更新相关联的元件和连线。同理，ARES 中的变化也将自动地反馈到原理图中。

　　在Proteus 中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB 设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus 从原理图设计到PCB 设计，再到电路板完成的流程。

　　基于单片机的应用电路原理图，显示的画面处于仿真运行状态。设计者可以从Proteus 原理图库中调用所需库元件，然后通过合适连线即可。单片机内可通过单击单片机芯片加入已编译好的十六进制程序文件，然后运行仿真即可。运用Proteus 的PCB 制版功能设计出的电路板，可通过原理图生成网络表后设计布局而成。根据设计的PCB 加工而成的电路板和安装焊接完成后的实际电路。可见，整个电路从设计到实际电路制作完成，通过Proteus 一个软件即可完美实现。并且，它的仿真结果与实际误差很小，非常适合电子设计爱好者和高校学生自学使用，缩短了设计周期，降低了生产成本，提高了设计成功率。

　　2 直流可调稳压电源的硬件电路设计与仿真

　　设计一个由集成稳压器件构成的直流可调稳压电源。按照直流稳压电源的组成，可分为变压、整流、滤波和稳压几部分电路。

　　2. 1 变压电路

　　直流电源通常从市电取电，把220V、50Hz 的单相交流电先降压，变成所需的交流电，然后再整流。

　　根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值37V 倒推，可以算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为29V 左右。

　　变压电路的仿真图如图1 所示。

图1 变压电路仿真图

　　2. 2 整流及滤波电路

　　整流采用常用的二极管桥式整流电路。整流采用常用的二极管桥式整流电路。在Proteus 的元件库中寻找“BRIDGE”，取出此通用二极管整流桥，放置在电路中，注意接法。根据经验，一般滤波电路常用的滤波电容有2200μF 和1100μF 两种，但要注意它的耐压值要大于电路中所承受的电压，并注意电压的极性的接法是上正下负，仿真图如图2 所示。

图2 仿真图

　　计算滤波所需的电容值，可采用以下公式：

　　式中，VM 为滤波之后的最大电压，Vγ 为滤波之后的波纹电压，即最大电压与最小电压的差值，R 为负载电阻，f 为工频50Hz.全波整流之后的电压平均值为前面变压器副边电压有效值的1. 35 倍； 滤波之后的电压平均值为全波整流电压平均值的1. 2 倍。还要在滤波电容两端并联一电源指示电路，即一个电阻串联一个发光二极管。电路调试时，如果发光二极管亮，则说明滤波之前的电路无故障； 否则可判断出前面电路有问题。

　　计算与发光二极管串联的电阻值。发光二极管要想点亮都有一个最小电流，一般为几mA，这里取6mA.发光二极管导通时两端的管压降在2V 左右。而滤波之后的电压为：

　　电阻就等于其两端的电压除以流过它的电流，即：

　　2. 3 集成稳压电路

　　集成稳压电路的核心器件是LM317，在实际应用中要注意加装散热片。为了保护集成器件在接反的状态下不被烧毁，在输入、输出端之间以及输出与调节端之间分别接反向保护二极管1N4003，仿真图如图3 所示。

图3 仿真图

　　关键是对输出端和调节端和地之间的两个外接电阻的计算，由于调节端的输出电流仅为100mA，可以忽略不计。即认为图3 中的电阻R2 和RV4 是串联关系。而LM317 的输出端2 和调节端1 之间的输出电压已知为1. 25V，电路的最大输出电压为37V，所以滑动变阻器的最大值可以算出。

　　一般设R2 为100 ~ 200Ω，典型值为120Ω，这里我们设为200Ω。在实际接线时，这个电阻应尽可能地靠近LM317 元件来接，因为它本应是LM317 内部电阻。

　　由上面的公式算出滑动变阻器的最大值为4. 92kΩ，取典型值4. 1kΩ，这样最大值达不到37V，理论上只有32V 左右，仿真时显示为33. 5V，有些误差，并且最小值也比1. 25V 小。

　　另外，在图3 中，电容C2 和C3 分别为去抖和滤波作用。C2 并联在滑动变阻器两端，可防止滑动变阻器在调节过程中由于抖动而产生的谐波，一般经验值为10μF.C3 为输出侧二次滤波，其目的是去掉输出电压波形中细小的波纹。C1 与C3 的关系一般为22 倍。

　　可调直流稳压电源的完整电路仿真图如图4所示。

图4 完整电路

　　3 结论

　　本文的直流稳压电源输出电压在1. 25V ~ 37V可调； 最大输出电流为1. 5A; 电压调整精度达0. 1%.通过Proteus 软件的仿真完全达到预期效果，不仅提高了运用软件的能力还为后续PCB 的设计奠定了良好基础。