变压器与稳压电路的综合设计

刁成妍，王宗梁，牛天健

（山东科技大学济南校区，山东 济南 250000）

引言

本次设计以Matlab、Multisim、Altuim Designer等软件为基础，完成设计线性电源电路的任务。设计的电路图中使用了功率变压器、二极管、电阻、电容、集成稳压器等器件，可完成多路输出电压。对设计的电路进行仿真实验，能够实现电压转换、滤波处理以及输出稳定电压等功能。

1 设计任务

要求设计一款低纹波直流稳压电源，设计内容可分为功率变压器的设计和整流稳压电路的设计两部分。设计功率变压器是为了达到电压变换的目的，一般是将高电压转换为低电压，并传送给后面的整流电路。整流稳压电路是将功率变压器转换得到的低电压进行滤波、稳压处理。变压器、整流电路、滤波电路等共同构成线性电源电路。线性电源电路通过变压、整流、滤波、稳压四个环节滤去不稳定的脉动、干扰成分。具体要求如表1所示。

表1 设计参数

2 功率变压器设计

2.1 设计原理

进行合理的结构设计，以便于绕制，方便生产、安装，且方便散热。

利用降压变压器实现电压变换的目的。功率变压器将一次交流电压变换为整流所需要的二次交流电压。在本次设计中，是将220 V的输入电压降为12 V的输出电压，并送给整流电路。由于变压器存在铁损和铜损，因此输出功率小于输入功率。功率变压器可以根据需要自行设计一次、二次绕线，要求漏磁要尽可能小，减少绕组的漏感。

2.2 设计思路、方案及设计步骤

设计功率变压器时采用的是磁芯几何常数法，通过磁芯几何常数Kg的值选择合适的磁芯。据题目给出的参数要求列出公式，并借助Matlab计算，从而确定变压器的视在功率、损耗、温升以及调整率等参数，以及一次、二次绕组的匝数、损耗，并根据计算结果选择合适的一次、二次导线。

变压器设计的基本步骤之一就是要选择一个合适的磁心材料，不同材料在成本、尺寸、频率和效率方面有自己的优缺点，在设计过程中要综合考虑这些因素。此外，也要尽量满足变压器的体积和质量最小，并尽可能降低成本。但是需要注意的是，在实际设计时，这些约束条件往往很难同时满足。因此，设计时要对相关参数进行合理的折中处理。

具体设计步骤如下页表2所示。

表2 设计步骤

2.3 设计结果

第一次选用了14 mil厚EI叠片磁芯，型号为EI-112的叠片磁芯，在计算过程中发现调整率远大于6%。选用DU-75型号磁芯，但是，需要的导线裸面积远大于AWG系列中最大裸面积导线。经过多次尝试、分析计算，选用了14 mil厚EI叠片磁芯中的EI-125型号叠片磁芯，一次侧选择AWG 23号导线，二次侧选择AWG 10号导线。

3 稳压电路设计

3.1 设计原理

直流稳压电源是一种将交流电压转换成稳定输出的直流电压的装置，需要经过变压、整流、滤波、稳压这四个环节才能完成。因此，直流稳压电源由变压（即电源变压器）、整流电路、滤波电路、以及稳压电路这四个部分组成。

3.2 设计步骤

稳压电路设计分为变压、整流、滤波和再次稳压四个步骤。

3.2.1 变压

变压电路主要是设计一个满足要求的功率变压器。本次设计，是将220 V的输入电压降为12 V的输出电压。

3.2.2 整流电路

将交流电压转换为脉动直流电压。常用整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流。

1）半波整流：电路简单，用到的二极管数目少。但是电路利用率较低

2）全波整流：全波整流虽然输出电压波动减小了，但变压器需要的绕线太多。

3）桥式整流：虽然桥式整流需要的二极管多，但是它克服了全波整流要求变压器二次端要有中心抽头的缺点。显然，桥式整流的利大于弊。

综合考虑，本次设计利用二极管的单向导电性进行整流，选择桥式整流。

3.2.3 滤波电路

1）电感滤波：电感可以阻止负载电流变化，并使之趋近平直。但是一般的电感滤波只适用于大电流、低电压的场合。

2）π型LC滤波电路：电容对交流的阻抗小，电感对交流的阻抗大，所以负载上的纹波电压较小。但是负载要消耗功率，这样会造成电源损耗功率较大，因此电源的功率降低。

3）电容滤波电路：整流电路后面加上滤波电容，一方面使输出电压更加平滑，减少波纹，另一方面增大了输出电压的平均值。

综合上述分析，选择电容滤波电路进行滤波。

4）电容值的确定：电容滤波电路需要一个较大的电容，但是考虑到不能过大，因此采取经验值计算的方法，并且结合仿真实验验证结果的正确性。经过仿真实验，将电容值调整为2 200μF。

3.2.4 稳压电路

由于实际过程中外界环境的多变性，需要再添加一级稳压电路，以保证直流输出电压的稳定输出，本次设计采用集成稳压器。在设计小功率稳压电源时，一般选用三端稳压器。三端稳压器可以分为固定式和可调式，正电压输出和负电压输出。根据设计要求，固定式三端稳压器可以满足本次设计要求，选用LM7805系列稳压器。

为了达到直流输出为5 V的要求，通过查阅芯片手册，选用LM7805CT型号芯片。通过仿真证明，这一芯片满足要求。通过上网查阅资料，发现LM7805CT所在的稳压电路中往往选用0.1～0.3μF的小电容。通过仿真实验，最终选用了0.1μF的电容。

4 电路仿真

由于计算设计过程难免出现误差，导致最后的设计结果不一定精准。为了保证最后设计的准确性，需要通过仿真实验来验证结果是否合理，并进一步改进。最终的电路仿真图如图1所示。

选用GSIB1580—E3/45型号整流桥，2 200μF和0.1μF的电容，10Ω的电阻，峰值为16.97 V、频率为60 Hz的交流电源以及LM7805CT芯片。分别对整流电路、滤波电路以及稳压电路进行仿真，验证结果的正确性。结果表明，满足设计要求。

5 结语

通过设计功率变压器以及整流稳压电路，借助Matlab计算、Altuim Designer画图、Multisim仿真最终设计出一款低纹波直流稳压电源，能够实现电压转换、滤波处理以及输出稳定电压等功能。