开关电源和线性电源Multisim电路仿真实验汇总——硬件工程师笔记

[1 稳压电源基础知识](#1 稳压电源基础知识)

[1.1 定义](#1.1 定义)

[1.2 稳压电源的类型](#1.2 稳压电源的类型)

[1.2.1 线性稳压电源](#1.2.1 线性稳压电源)

[1.2.2 开关稳压电源](#1.2.2 开关稳压电源)

[1.2.4 并联型稳压电源（也属于线性稳压电源的一种）](#1.2.4 并联型稳压电源（也属于线性稳压电源的一种）)

[1.3 稳压电源的参数](#1.3 稳压电源的参数)

[1.3.1 输出电压范围](#1.3.1 输出电压范围)

[1.32 输出电流](#1.32 输出电流)

[1.3.3 电压稳定度](#1.3.3 电压稳定度)

[1.3.4 纹波和噪声](#1.3.4 纹波和噪声)

[2 线性稳压电源实验](#2 线性稳压电源实验)

[2.1 LM7805基本参数](#2.1 LM7805基本参数)

[2.2 LM7805工作原理](#2.2 LM7805工作原理)

[2.3 应用](#2.3 应用)

[2.4 LM7905基本参数](#2.4 LM7905基本参数)

[2.5 工作原理](#2.5 工作原理)

[2.6 应用电路](#2.6 应用电路)

[3 开关稳压电源实验](#3 开关稳压电源实验)

[3.1 降压式开关稳压电源](#3.1 降压式开关稳压电源)

[3.1.1 降压式开关稳压电源基本原理](#3.1.1 降压式开关稳压电源基本原理)

[3.2 升压式开关稳压电源](#3.2 升压式开关稳压电源)

[3.2.1 工作过程](#3.2.1 工作过程)

[3.2.2 升压式开关稳压电源电路设计](#3.2.2 升压式开关稳压电源电路设计)

[3.3 升降压式开关电源](#3.3 升降压式开关电源)

[3.3.1 升降压式开关电源工作原理](#3.3.1 升降压式开关电源工作原理)

[3.3.2 升降压式开关电源电路设计](#3.3.2 升降压式开关电源电路设计)

[4 其他稳压电源实验](#4 其他稳压电源实验)

[4.1 串联型稳压电源](#4.1 串联型稳压电源)

[4.1.1 串联型稳压电源工作原理](#4.1.1 串联型稳压电源工作原理)

[4.1.2 串联型稳压电源电路设计](#4.1.2 串联型稳压电源电路设计)

[4.2 稳压二极管稳压电源](#4.2 稳压二极管稳压电源)

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1 稳压电源基础知识

1.1 定义

稳压电源是一种能够输出稳定电压的电源设备。它通过内部电路的设计，将输入的不稳定电压（如市电电压的波动或者电池电压的下降）转换为稳定输出的电压，以满足电子设备对电源电压稳定性的要求。许多电子设备对电压波动比较敏感，像精密的测量仪器、计算机等，如果电压不稳定，可能会导致设备工作异常、数据丢失甚至损坏，而稳压电源可以有效避免这些问题。

1.2 稳压电源的类型

1.2.1 线性稳压电源

**工作原理：**线性稳压电源是利用线性元件（如功率晶体管）来调节输出电压。它的工作原理类似于一个可变电阻，通过调整功率晶体管的导通程度来改变输出电压。当输入电压变化或者负载电流变化时，电路中的反馈机制会自动调节功率晶体管的工作状态，使输出电压保持稳定。常见的78xx系列稳压芯片（如7805输出5V）就是线性稳压电源的典型代表。

**优点：**输出电压稳定度高，纹波小，输出电压的稳定性可以达到很高的精度，适合对电压质量要求较高的场合，如实验室的精密仪器供电。

**缺点：**效率相对较低。因为功率晶体管在工作时会消耗一部分功率，以热量的形式散发出去。其效率一般在50%-70%左右，而且在大电流输出时，功率晶体管的散热问题比较突出。

1.2.2 开关稳压电源

**工作原理：**开关稳压电源是利用半导体器件（如功率MOSFET）的开关特性来实现电压调节的。它通过高频开关电路将输入电压转换为高频脉冲电压，然后通过变压器进行降压，最后经过整流滤波电路得到稳定的输出电压。在这个过程中，通过控制开关管的导通和截止时间（即占空比），可以调节电压输出的大小。例如，电脑的ATX电源就是开关稳压电源，它能够将220V交流电转换为多种直流电压（如 +12V、+5V、+3.3V等）来为电脑的各个部件供电。

**优点：**效率高，一般可以达到70%-90%甚至更高。因为它在工作时，功率器件主要工作在开关状态，损耗较小。而且体积小、重量轻，便于集成。例如，很多便携式电子设备的充电器采用开关稳压电源，能够在有限的空间内提供高效的电源转换。

**缺点：**输出电压的纹波相对较大，因为开关过程会产生高频噪声。不过，通过优化电路设计和增加滤波环节，可以有效降低纹波。另外，开关稳压电源的设计相对复杂，对电路的电磁兼容性要求较高。

1.2.3 串联型稳压电源（属于线性稳压电源的一种）

**工作原理：**它是由调整管（如功率晶体管）与负载串联而成。调整管工作在放大区，通过改变调整管的管压降来调节输出电压。当输入电压或负载电流变化时，反馈电路会检测到输出电压的变化，并调整调整管的基极电压，从而改变调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

**优点：**电路简单，可靠性高。在一些对成本和可靠性要求较高，而对效率要求不是特别苛刻的场合，如一些简单的电子设备电源，应用比较广泛。

**缺点：**和线性稳压电源一样，效率较低，且调整管需要良好的散热措施。

1.2.4 并联型稳压电源（也属于线性稳压电源的一种）

**工作原理：**它的调整元件（如稳压管）与负载并联。通过稳压管的稳压作用来稳定输出电压当。输入电压或负载电流变化时，稳压管的电流会相应变化，从而保证输出电压的稳定。例如，简单的稳压电路可以用稳压二极管与负载并联来实现。

**优点：**电路结构简单，成本较低。

**缺点：**输出电流较小，一般只适用于小功率场合，而且效率也不高。

1.3 稳压电源的参数

1.3.1 输出电压范围

这是稳压电源能够提供的电压范围。例如，一个可调稳压电源的输出电压范围可能是1.2V-30V，用户可以根据需要在这个范围内调节输出电压。

1.32 输出电流

表示稳压电源能够提供的最大电流。不同的设备对电流的需求不同，例如，一些小型电子设备可能只需要几十毫安的电流，而大型工业设备可能需要几十安甚至上百安的电流。稳压电源的输出电流必须满足设备的需求，否则可能会导致设备无法正常工作或者损坏电源。

1.3.3 电压稳定度

它是指在输入电压变化、负载电流变化以及环境温度变化等条件下，输出电压的相对变化量。电压稳定度越高，说明稳压电源的性能越好。例如，一个电压稳定度为0.1%的稳压电源，当输入电压变化或者负载电流变化时，输出电压的变化量不会超过其额定输出电压的0.1%。

1.3.4 纹波和噪声

纹波是输出电压中包含的交流成分，噪声则是输出电压中包含的高频干扰信号。对于线性稳压电源，纹波和噪声相对较小；而对于开关压稳电源，纹波和噪声相对较大，但可以通过增加滤波电路等方式来降低。纹波和噪声过大会影响电子设备的正常工作，例如在音频设备中，纹波和噪声可能会导致声音失真。

2 线性稳压电源实验

以LM7805和LM7905线性稳压电源电路为例。

LM7805是一款经典的三端线性稳压器，广泛应用于各种需要稳定5V输出电压的电路中。

LM7905是一款经典的三端负电压线性稳压器，与LM7805类似，但输出的是稳定的-5V电压

2.1 LM7805基本参数

输出电压

LM7805的输出电压为固定的5V。

输出电流

最大电流输出为1.5A，但在实际使用中，为了保证芯片的散热和可靠性，通常建议输出电流不超过1A。

输入电压范围

输入电压范围为7V到35V。这是因为LM7805需要一定的输入输出电压差（压降）才能正常工作，其最小压降一般为2V左右。

2.2 LM7805工作原理

LM7805属于线性稳压器，其内部主要由以下几个部分组成：

功率晶体管

用于调节输出电压。它工作在线性区，通过改变管压降来稳定输出电压。

反馈电路

用于检测输出电压的变化，并将其反馈到功率晶体管的控制端，从而调节功率晶体管的导通程度，保持输出电压稳定。

保护电路

包括过流保护和过热保护。当输出电流超过额定值或芯片温度过高时，保护电路会自动切断输出，保护芯片和负载。

2.3 应用

LM7805的典型应用电路非常简单，只需要将输入电压接到芯片的输入端（IN），地线接到公共地（GND），输出端（OUT）即可得到稳定的5V电压

如上图所示，绿色线表示输入电源信号，其为8V直流电压和1V交流电压的叠加；紫色线表示输出电压，其大小为5V。

2.4 LM7905基本参数

输出电压：固定-5V。

输出电流：最大输出电流为1.5A。

输入电压范围：-7V到-35V。

压差：最小压差约为1.1V。

封装形式：常见的封装为TO-220。

2.5 工作原理

LM7905的工作原理与LM7805类似，基于负反馈机制来稳定输出电压。当输入电压发生变化时，内部电路会自动调整，使输出电压保持在-5V。它通过内部的功率晶体管和反馈电路来实现电压的稳定输出。

2.6 应用电路

在使用LM7905时，通常会在输入端和输出端分别并联一个电解电容（如100μF）和一个瓷片电容（如0.1μF），以减少纹波和噪声。

如上图所示，绿色线表示输入电源信号，其为-8V直流电压和1V交流电压的叠加；紫色线表示输出电压，其大小为-5V，并可以通过调节R1阻值实现输出电压的调节，实际仿真实验中输出电压变化很小。

3 开关稳压电源实验

使用电压控制电压源(VCVS)和MOS管实现降压式开关稳压电源、升压式开关稳压电源和升降压式开关稳压电源

电压控制电压源是一种受控电源元件，其输出电压由输入电压控制，电压控制电压源（VCVS）是一种线性受控源，其输出电压与输入电压成比例关系。具体来说，输出电压Vout 由输入电压Vin 乘以一个增益系数k 来决定，即：Vout =k ×Vin

3.1 降压式开关稳压电源

3.1.1 降压式开关稳压电源基本原理

降压式开关稳压电源（Buck Converter）是一种将高电压转换为低电压的电路。其核心思想是通过快速切换电流，并利用电感和电容储能来输出稳定的低电压。

主要元件：

MOS 管（开关元件）：用于快速切换电流。

电感（储能元件）：存储能量并平滑电流。

电容（滤波元件）：减少输出电压的波动。

续流二极管：在MOS管关断时提供电流通路。

控制电路（PWM 控制器）：产生脉冲宽度调制（PWM）信号，调节MOS管的开关时间。

工作过程：

当MOS管导通时，输入电压通过MOS管加到电感上，电感储能，电流逐渐增大。

当MOS管关断时，电感释放能量，通过续流二极管向负载和电容供电，维持输出电压。

输出电压的大小由PWM信号的占空比决定。

如上图所示，使用V6作为PWM信号，经过1比1传递MOS管，控制MOS管的导通和截止，其中输入100V，输出80V，输出的大小与PWM信号占空比紧密相关。

升压式开关稳压电源（Boost Converter）是一种将输入电压升高的直流-直流转换器。它通过周期性地开关一个电感来存储和释放能量，从而实现电压的升高。以下是关于升压式开关稳压电源的详细介绍，包括其工作原理、电路设计以及在Multisim中的实现方法。

3.2 升压式开关稳压电源

升压式开关稳压电源的核心是电感和开关（通常为MOS管），通过周期性地开关电感，将输入电压升高到所需的输出电压。

3.2.1 工作过程

开关导通阶段：当开关（如MOS管）导通时，输入电压通过电感连接到地，电感电流线性增加。电感储存能量，此时电感电流通过开关流向地，不流经负载。

开关断开阶段：当开关断开时，电感中的电流不能瞬间中断，电感会产生一个反向电动势，使得电感两端的电压极性反转。此时，电感电流通过续流二极管（或MOS管的体二极管）流向负载和输出电容，同时为输出电容充电，维持输出电压的稳定。

稳态工作：通过调节开关的占空比（即开关导通时间与周期的比值），可以控制输出电压的大小。占空比越大，输出电压越高。

输出电压计算 ：在理想情况下，升压式开关稳压电源的输出电压 Vout 与输入电压Vin 和占空比D 的关系为：Vout =(1−D)\Vin

其中，占空比D 是开关导通时间Ton 与开关周期 T 的比值，即D =T\Ton。

3.2.2 升压式开关稳压电源电路设计

电路元件

输入电源 ：提供输入电压Vin。

电感：用于储存和释放能量，通常选择100μH到1mH的电感。

开关（MOS 管）：用于控制电感的充放电过程，通常选择N型MOS管。

续流二极管：用于在开关断开时提供电流通路，通常选择快速恢复二极管。

输出电容：用于平滑输出电压，通常选择100μF到1000μF的电解电容。

PWM 控制器：用于产生脉冲宽度调制信号，控制开关的占空比。

电路连接

输入电源的正极连接到电感的一端和开关（MOS管）的漏极。

电感的另一端连接到续流二极管的阳极和输出电容的正极。

续流二极管的阴极连接到输入电源的正极。

输出电容的负极连接到地。

开关（MOS管）的源极连接到地，栅极连接到PWM控制器的输出端。

PWM控制器的输入端连接到反馈电路，用于调节占空比以维持稳定的输出电压。

如上图所示，使用V2作为PWM信号，经过1比1传递MOS管，控制MOS管的导通和截止，其中输入100V，输出176V，输出的大小与PWM信号占空比紧密相关。

3.3 升降压式开关电源

升降压式开关电源（Buck-Boost Converter）是一种既可以升压（Boost）又可以降压（Buck）的直流-直流转换器。它结合了Buck和Boost两种拓扑的优点，能够在输入电压高于或低于输出电压的情况下工作，因此具有很强的适应性。

3.3.1 升降压式开关电源工作原理

升降压式开关电源的核心是电感、开关（通常为MOS管）和续流二极管。它通过周期性地开关电感，将输入电压转换为所需的输出电压。

工作过程

开关导通阶段：

当开关（MOS管）导通时，输入电压通过电感连接到地，电感电流线性增加。电感储存能量，此时电感电流通过开关流向地，不流经负载。

开关断开阶段：

当开关断开时，电感中的电流不能瞬间中断，电感会产生一个反向电动势，使得电感两端的电压极性反转。此时，电感电流通过续流二极管流向负载和输出电容，同时为输出电容充电，维持输出电压的稳定。

稳态工作：

通过调节开关的占空比（即开关导通时间与周期的比值），可以控制输出电压的大小。占空比越大，输出电压越高。

输出电压计算 在理想情况下，升降压式开关电源的输出电压Vout 与输入电压 Vin 和占空比D的关系为：

Vout =（1−D ）\Vin ×D

其中，占空比 D 是开关导通时间Ton 与开关周期T 的比值，即 D =T\Ton。

3.3.2 升降压式开关电源电路设计

电路元件

输入电源 ：提供输入电压 Vin。

电感：用于储存和释放能量，通常选择100μH到1mH的电感。

开关（MOS 管）：用于控制电感的充放电过程，通常选择N型MOS管。

续流二极管：用于在开关断开时提供电流通路，通常选择快速恢复二极管。

输出电容：用于平滑输出电压，通常选择100μF到1000μF的电解电容。

PWM 控制器：用于产生脉冲宽度调制信号，控制开关的占空比。

电路连接

输入电源的正极连接到电感的一端和开关（MOS管）的漏极。

电感的另一端连接到续流二极管的阳极和输出电容的正极。

续流二极管的阴极连接到输入电源的正极。

输出电容的负极连接到地。

开关（MOS管）的源极连接到地，栅极连接到PWM控制器的输出端。

PWM控制器的输入端连接到反馈电路，用于调节占空比以维持稳定的输出电压。

如上图所示，使用V6作为PWM信号，经过1比1传递MOS管，控制MOS管的导通和截止，其中输入100V，输出-188V，输出的大小与PWM信号占空比紧密相关。

4 其他稳压电源实验

4.1 串联型稳压电源

串联型稳压电源是一种线性稳压电源，通过调节串联在电路中的功率晶体管的导通程度来稳定输出电压。

4.1.1 串联型稳压电源工作原理

串联型稳压电源的核心是功率晶体管，它串联在输入电源和负载之间，通过调节其导通程度来控制输出电压。

功率晶体管（调整管）

功率晶体管工作在线性区，通过改变其基极电压来调节集电极-发射极之间的电压降，从而控制输出电压。

功率晶体管的导通程度决定了输入电压与输出电压之间的关系。

反馈电路

反馈电路用于检测输出电压的变化，并将其反馈到功率晶体管的基极，以调节其导通程度。

通常使用运算放大器（Op-Amp）作为反馈控制器，以实现高精度的电压调节。

采样电路

采样电路用于检测输出电压的实际值，并将其与设定的参考电压进行比较。

采样电路通常包括分压电阻网络，将输出电压的一部分反馈到运算放大器的反相输入端。

参考电压源

参考电压源提供一个稳定的基准电压，用于与采样电压进行比较。

参考电压源通常是一个高精度的稳压二极管（如齐纳二极管）或专用的电压参考芯片。

4.1.2 串联型稳压电源电路设计

电路元件

输入电源 ：提供输入电压 Vin。

功率晶体管（调整管）：通常选择NPN型功率晶体管。

运算放大器：用于实现反馈控制。

采样电阻：用于检测输出电压。

参考电压源：提供稳定的基准电压。

输出电容：用于平滑输出电压，减少纹波。

电路连接

输入电源：

输入电源的正极连接到功率晶体管的集电极。

输入电源的负极连接到地。

功率晶体管：

功率晶体管的集电极连接到输入电源的正极。

功率晶体管的发射极连接到负载和输出电容的正极。

功率晶体管的基极连接到运算放大器的输出端。

运算放大器：

运算放大器的非反相输入端连接到参考电压源。

运算放大器的反相输入端连接到采样电阻网络的输出端。

运算放大器的输出端连接到功率晶体管的基极。

采样电阻：

采样电阻网络由两个电阻组成，将输出电压的一部分反馈到运算放大器的反相输入端。

参考电压源：

参考电压源提供一个稳定的基准电压，连接到运算放大器的非反相输入端。

输出电容：

输出电容的正极连接到功率晶体管的发射极和负载的正极。

输出电容的负极连接到地。

如上图所示，输入220V交流电，经过串联型降压电源电路最终实现降压稳压输出。

4.2 稳压二极管稳压电源

如上图所示，稳压二极管稳压电源通过稳压二极管的特性实现稳压降压