关于线性稳压器的 Spice 模型的电源设计方案

电子设计 2021-06-11 4183

描述

我们将看到使用宏模型 78xx模拟电源。使用的主要电子软件是 LTspice（用于电源应用）。它是一种高性能 SPICE 仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有增强功能和模型，可简化模拟电路的仿真。

SPICE 库

不幸的是，许多电子仿真程序本身并不使用 78xx 和 LM317 稳压器的库。78xx 稳压器是相当复杂的电路，由数十个晶体管、电阻器和电容器组成（图 1），其目的是将输入电压降低到特定且精确的值。

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图 1：稳压器 78xx 的复杂电气原理图

在 LTspice 中，包含任何组件的 SPICE 模型非常简单。最好手动绘制新组件的符号（扩展名为“.ASY”），并创建名称显示在“.SUBCKT”中的引脚（图 2）。在接线图中，需要包含带有 SPICE 指令的库：

.lib 名称.lib

或

.inc 监管机构.lib

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图 2：如何绘制新组件

7805 的完整模拟

7805 稳压器的绝对最大额定值如下：

输入电压：35V
热阻结壳（TO-220）：5°C/W
结空气热阻（TO-220）：65°C/W
工作温度范围：–40°C 至 125°C
输出电流：高达1A
峰值电流：2.2A

现在让我们对 7805 稳压器的使用进行一些模拟。7808、7812、7815、7824其他电压的原理相同。在图3中，我们可以观察到典型的应用方案。

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图 3：7805 稳压器的典型应用

示例中的电源电压是可变的，而输出电压为 5 V，使用 10 Ω 电阻负载，具有 500 mA 的强电流。让我们通过在 7 V 和 35 V 之间的范围内改变电源电压来检查效率图，查看图 4中的图。使用以下公式计算效率：

（V（OUT） × I（R1））/（V（IN） × –I（V1）） × 100

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图 4：通过在 7 V 和 35 V 之间改变电源电压和 100 Ω 负载来提高电路效率

例如，电源电压为 12 V 时，电路效率为 41.3%，而电源电压为 20 V 时，电路效率下降至 24.7%。从图中可以看出，电路的最大效率（约 65%）对应于最低电源电压，等于 7 V。设计人员应考虑这些参数。通过将电源电压增加到 35 V，7805 稳压器的功耗显着增加，其曲线如图 5所示。

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图 5：7805 稳压器消耗的功率

现在让我们评估 7805 的输出电压作为负载的函数，以欧姆表示。该图显示在图 6的左侧，表明稳压器的输出电压是恒定的（5 V），直到负载电阻降至 2 Ω 以下。在这种情况下，由于稳压器的内部保护介入，输出电压急剧下降。7805 的输出电流显示在同一图的右侧，具体取决于负载，以欧姆表示。

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图 6：输出电压和电流与负载的关系图

让我们分摊热量

通常，当输入电压远高于输出电压时，串联使用两个或多个稳压器会很有用。使用两个稳压器，效率没有提高；相反，它略低，但有助于在两个设备上分配耗散，如图 7 所示。两个电路的目的是将电压从 20 V 降低到 5 V。左侧的第一个电路仅使用 7805 稳压器，而右侧的电路使用 7812 和 7805 级联。左侧第一个电路的功耗因此分布：

电池产生的功率 V1 （V（IN） × –I（V1））：10.1 W

7805 （V（IN） × Ix（X1:1） + V（OUT） × Ix（X1:3））的功耗：7.6 W

负载 R1 的耗散功率（V（OUT） × I（R1））：2.5 W

第一回路效率：24.76%

右侧第二个电路的功耗因此分布：

电池产生的功率 V2 （V（IN2） × –I（V2））：10.2 W

7812 （V（IN2） × Ix（X3:1） + V（N001） × Ix（X3:3））的功耗：4.14 W

7805 的功耗（V（N001） × Ix（X2:1） + V（OUT2） × Ix（X2:3））：3.5 W

负载耗散功率（R2 V（OUT2） × I（R2））：2.5 W

第二回路的效率：24.52%

第二个电路的效率略低，但两个器件上的耗散是分布的。

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图 7：两个稳压器的使用

使用三个稳压器（7815、7812 和 7805），功率划分如下：

电池 V3 产生的功率：10.3 W
7815 的耗散功率：2.65 W
7812 的耗散功率：1.58 W
7805 的耗散功率：3.56 W
负载耗散功率：2.5 W
效率：24.28%

7805 是否仅将电压稳定在 5 V？

我们来试试图 8的接线图，它提供了一个电阻连接到稳压器的引脚，该引脚通常接地。

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图 8：7805 的可变电源

通过将该电阻（R2）的阻值从 50 Ω 更改为 3，000 Ω，输入电压为 20 V，我们可以获得 5.2 V 和 17.7 V 之间的输出电压。该电阻的最大吸收约为 5 mA（最大耗散为 60 mW）。为此，我们可以使用电位器来构建连续可变的电源（图 9）。输出电压还取决于连接的负载。下表显示了一些示例。

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图 9：通过改变 R2 的值，我们可以获得可变电源。

研究这种可变电源的效率非常有趣，其曲线如图 10所示。更高的性能值显然对应于更高的输出电压和更少的散热。

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图 10：通过改变 R2 的值，电路的效率有所不同。

编辑：hfy

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