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1、学 号： 0120810340913课 程 设 计题 目学 院专 业班 级姓 名指导教师2010年1月11日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级：通信0804 指导教师： 工作单位：信息工程学院 题 目: 直流稳定电源的设计 初始条件：LM317三端稳压芯片要求完成的主要任务: 设计并制作交流变换为直流的稳定电源。基本要求：（1）稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）5
2、mV（最低输入电压下，满载）f效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g具有过流及短路保护功能（2）稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：420mA可调b负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）（3）DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）100mV （输入电压+9V下，满载）指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月
3、日摘 要随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。本设计分别用LM317三端稳压芯片稳压电路，LM317三端稳压芯片稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，直流稳流电源和DC-DC变换器。通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。关键词：电源；LM317三端稳压芯片稳压电路；LM317三端稳压芯片稳流电路；反馈式逆变电路。AbstractWith the rapid development of scien
4、ce and technology, the power supply reliability, capacity / volume ratio increasingly high demand for the power of research and development has become the new technology, new equipment, development of an important part in promoting scientific and technological development play an important effect. T
5、his design were used to LM317 three-terminal regulator chip voltage regulator circuit, LM317 three-terminal regulator chip steady flow circuit and the feedback inverter circuit design DC power supply, DC-stabilized power supply and DC-DC converter. Through the relevant knowledge to calculate the cir
6、cuit parameters of each device, so that the circuit performance to meet the design requirements for voltage regulation, current regulation, load regulation, ripple voltage indicators. Keywords: power supply; LM317 three-terminal regulator chip voltage regulator circuit; LM317 three-terminal regulato
7、r chip steady flow circuit; feedback inverter circuit 目 录课程设计任务书- 1 -摘 要- 3 -Abstract- 4 -1原理电路的设计- 6 -1.1 直流稳压电源电路设计- 6 -1.1.1 晶体管串联式直流稳压电路- 6 -1.1.2采用三端集成稳压器电路- 6 -1.1.3用单片机制作的可调直流稳压电源- 6 -1.2 最终决定的直流稳压电源电路设计方案- 7 -1.3 直流稳流电源电路设计- 8 -1.3.1 高精度恒压恒流直流稳压电源电路- 8 -1.3.2 LM317构成的可调稳流源电路- 8 -1.4 最终决定的直流稳
8、流电源电路设计方案- 8 -1.5 DC-DC转换器电路设计- 9 -1.5.1 Boost升压斩波电路- 9 -1.5.2 开关电容DC-DC变换器- 9 -1.5.3 PWM DC/DC变换器- 11 -1.5.4 DC-AC-DC转换升压电路- 12 -1.6 最终决定的DC-DC转换电路设计方案- 13 -1.7电路图与主要工作原理- 13 -1.7.1 稳压模块工作原理- 14 -1.7.2 稳流模块工作原理- 14 -1.7.3 DC-DC转换器模块工作原理- 14 -1.8主要参数的选择与计算- 14 -2电路仿真- 16 -2.1 稳压模块的仿真- 16 -2.2 稳流模块的仿
9、真- 16 -2.3 DC-DC转换器模块的仿真- 16 -3 实物安装与调试- 18 -4 数据整理及最终分析- 19 -4.1稳压模块的数据结果- 19 -4.2稳流模块的数据结果- 19 -4.3 DC-DC变换器的数据结果：- 19 -4.4 整体分析- 19 -5 心得体会- 20 -6 主要参考文献- 21 -附录-元件清单- 22 -1原理电路的设计1.1 直流稳压电源电路设计1.1.1 晶体管串联式直流稳压电路该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电
10、电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。1.1.2采用三端集成稳压器电路该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。1.1.3
11、用单片机制作的可调直流稳压电源该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得024 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳
12、压芯片LM317(负压用LM337)及外围器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。该电源稳定性好、精度高，并且能够输出24 V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。1.2 最终决定
13、的直流稳压电源电路设计方案最终，我决定采用第二种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源，主要因为它的使用非常简单，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。通常 LM117/LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM117/LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。电路图如下：图1 LM317集成稳压电路317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为1.237V，最大输
14、出电流为1.5A。满足设计需要。图中R1，R2，电位器组成电压输出调节电路，电容C1为滤波电容，电容C2与电位器并联组成输出滤波电容，减小输出的纹波电压。二极管D6的作用是防止输出端与地短路时，电容C2上的电压损坏稳压器。1.3 直流稳流电源电路设计1.3.1 高精度恒压恒流直流稳压电源电路该电路可以实现稳流输出，但毫无疑问的是过于复杂，精度极高，超出题目要求及制作条件，故不予考虑。1.3.2 LM317构成的可调稳流源电路用12V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。1.4 最终决定的直流稳流电源电路设计方案最终我
15、决定采用第三种设计方案，用LM317制作这一电路简单易行，在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。图2 LM317集成稳流电路1.5 DC-DC转换器电路设计1.5.1 Boost升压斩波电路 图3 boost升压斩波电路Q1导通时：D1截止，电源对电感进行充电。电容对负载进行供电。Q1截止时：电感上的电势反向，和电源串联，D1导通，对电容进行充电，从而可以将C1的电压充至高于输入电压的值。此电路可以达到升压的要求，但输出功率偏大。1.5.2 开关电容DC-DC变换器开关电容DC/DC变换器的统一模型及工作原理 开关电容DC/DC变换器的统一模型如图1所示,图中S代表功率开关
16、，Ci代表ni阶的串并电容组合结构,阶数ni为其中的电容个数,下标i代表第i级串并电容组合结构。串并电容组合结构是由电容（通常取值相同）和二极管构成的，其中的电容具有串联充电，并联放电的特性，如图2虚线框中为二阶串并电容组合结构，图3为基本的开关电容DC/DC变换器。 图4 开关电容DC/DC变换器的统一模型 图5 二阶串并电容组合开关电容DC/DC变换器（SPSC）图6基本开关电容（BSC）DC/DC变换器 在状态I，Si1和Si4导通，Si3截止，C1.Cm并联充电,而根据串并电容组合结构的特点,构成Ci的ni个电容Cij却呈串联状态；同样地,在状态II,Si1和Si4截止,Si3导通，C
17、1.Cm串联放电,而构成Ci的ni个电容Cij却呈并联状态。在状 态I,Co放电提供负载电流,在状态II，C1.Cm向Co补充电量。同时Co起到输出滤波的作用,这样便能得到一个平滑的输出电压 。 1.5.3 PWM DC/DC变换器图7 PWM DC/DC变换器的原理图1MHz 电流型 PWM DC/DC变换器的原理图。电流型控制电路以 UC3843 为核心，开关频率为1MHz；变换器采用推挽式3主电路 ；同步整流采用功率 MOSFET 可控整流电路；辅助电流由电阻和12V稳压管组成(也可采用自举电路)，为 UC3843 提供+12V 电源；电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压。UC3843
18、 的限流和占空比控制 变压器初级电流流过取样电阻R后，在R两端产生正比于初级电流的电压，该电压经 RC 滤波加到 UC3843 的9脚，从而实现逐周限流。正常工作状态下，UC3825的9脚输入电压必须低于1V 门限电压。9脚输入电压超过1V时，脉宽将随之变窄。当9脚输入电压超过1.4V时，输出电流中断，并且 UC3843 开始软启动程序。 利用斜坡 RAMP 脚(7脚)输入信号， UC3843 可以实现电流型控制或常规的占空比控制。当该脚接定时电容器时，UC3843 可以实现占空比控制。当 RAMP 脚接电流取样电阻时，UC3843 可以实现电流型控制。在这种应用电路中，初级电流波形经过很小的
19、RC滤波网络后，产生斜坡波形。RC网络的作用是斜率补偿。该输入信号的动态范围为1.3V，通常用来产生 PWM 斜率补偿。 同步整流电路 过去低电压输出的 DC/DC 开关变换器采用肖特基二级管作为同步整流管，其正向压降约为0.4 0.65V，低电压、大电流时通态功耗很大。因功率MOSFET管的正向压降很小，所以用功率MOSFET管作为输出的整流管。与肖特基二极管相比，用功率 MOSFET 管的优点除了正向压降很小外，还有阻断电压高，反向电流小等优点。图2所示为输出全波同步整流电路。功率MOSFET管VT1、VT2为两个整流管(VD1、VD2分别为VT1、VT2内部反并联二极管)。当变压器次级绕
20、组同名端为正时，VT2、VD2同时导通，VT1、VD1阻断 ，在L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流；反之，当变压器次级绕组同名端为负时，VT1、VD1同时导通，VT2、VD2阻断，在 L1续流期间，VT1、VT2截止，VD1、VD2同时导通续流。 采取此功率 MOSFET 管整流电路，可以大大提高整流效率。输出+5V/20A，采取导通电阻10m的功率 MOSFET 管，则导通损耗为：PON=10m(20A)2=4103mW=4w如果采取肖特基二极管整流电路，肖特基二极管的导通压降取0.6V，则导通损耗为： PON=0.6V20A=12w 可见仅整流管损耗就减小8W，效
21、率约能提高6%。 变压器的制造 初级绕组 N2与次级绕组 N4之间具有较紧密的耦合；而初级绕组 N1到初级绕组 N2之间的耦合不很严格。 高频设计 需要特别注意外部导体和元件的布置，减小不必要的电感和电容影响。所有的导线长度必须尽可能地短。印制电路板应仔细地布置元件及其连接。功率 MOSFET 管栅极的电阻应选碳成分的电阻，以降低串联电感。1.5.4 DC-AC-DC转换升压电路如图所示，这一电路依靠Q1、Q2、Q3组成的自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。此种电路结构简单，设计合理，且升压范围比较大，能够达到设计要求。缺点在于输出的电压不稳定，有较大
22、波动，而且交流纹波电压比较大。图8 DC-DC变换器电路1.6 最终决定的DC-DC转换电路设计方案鉴于制作难度、电路性能、工作效率、元器件取得的难易程度等多方面考虑，我最后选择了第四种设计方案。1.7电路图与主要工作原理经过仔细研究，我决定采用如下电路制作稳定电源实物。图9 整体设计电路图1.7.1 稳压模块工作原理本电路的稳压电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将220V-18V变压器变出的18V交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电压，在经过滤波电容减小电压脉动，最终经过LM317稳压后得到稳定的1.25V带隙电压。再依靠R1电阻固定电流，经R2与RS1调整输出
23、端的电压。达到输出稳定可调电压的要求。1.7.2 稳流模块工作原理本电路的稳流电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳流电路，将上一级产生的12V稳定电压转换为输出端的4-20mA的稳定电流。由稳压源供电，仍然是依靠LM317的带隙电压，通过R3与RS2电阻的调节控制输出端电流，实现稳定输出可调电流的题目要求。1.7.3 DC-DC转换器模块工作原理同样是依靠第一级的稳定电压输出供电，依靠Q1、Q2、Q3和R7、R8、C5构成的自激振荡电路，由上一级的直流供电产生一个交流电信号，在经过变压器升压，再度转换为直流信号输出，同时达到升压的目的。1.8主要参数的选择与计算（公式1）（公式2
24、）（公式3）（公式4）选二极管 （公式5）电流平均值： （公式6）承受最高反压： （公式7）选二极管应满足：IF (2 3) ID （公式8）可选：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流桥，此电路中选择2A、100V整流桥，满足要求。2. 选滤波电容（公式9） （公式10）可选： 1 000 mF，耐压 50 V 的电解电容根据输出直流电压UO = 15（V）的要求，由式(7-8)稳定电压（公式11）由输出电压VO = 15（v）及最小负载电阻RL = 3K的要求,负载电流最大值（公式12） 由式(7-8)计算 mA查半导体器件手册，选择稳压管2C
25、W20，其稳定电压UZ = (13.517) (V)，稳定电流mA， mA。2电路仿真2.1 稳压模块的仿真改变滑动变阻器的值，可以得到912V的直流电压，且电压的值随负载的改变量很小，满足要求。图10 稳压模块仿真图2.2 稳流模块的仿真改变滑动变阻器阻值，可得到912mA的直流电流，且电流的值随负载的改变量很小，满足要求。图11 稳流模块仿真图2.3 DC-DC转换器模块的仿真DC-DC转换器模块在输入12V直流电压时，可输出100V的直流电压，但在100V附近，电压值不很稳定，有小幅变动，故加了一个10nF的瓷片电容（电磁电容没这么小的）。图12 DC-DC转换器模块仿真图3 实物安装与
26、调试此次的电路虽然原理简单，但使用的元件还是比较多的，在采购时，有的元件无法买到，只能用相近的元件替代。其二，电路的焊接比较花费时间。第三，在调试时，由于输出电压有100V,故有一定得危险性，需要十分小心。4 数据整理及最终分析4.1稳压模块的数据结果稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9.019V+13.663Vb最大输出电流为1.537Ac电压调整率为0.172%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率0.79%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）2.37mV（最低输入电压下，满载）f效率43.3
27、6%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）4.2稳流模块的数据结果如图所示，稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：3.11220.26mA可调b负载调整率为2.32%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）4.3 DC-DC变换器的数据结果：DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100.035V，输出电流为10.125mAb电压调整率2.7%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率2.1%（输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）65mV （输入电压+9V下，满载）4.4 整体分析由以
28、上数据可知，本次设计基本成功，但在细节处与要求有一定得偏差，分析原因主要在于，一些元件的参数与计算值有一定得偏差，且温度等外部因素也对结果产生一定影响。5 心得体会本次的课程设计，是对所学的模电知识的一次综合应用，既考验了我的知识掌握程度，也锻炼了我的动手动脑能力。设计中，我时常会遇到一些问题，经过查阅资料,请教一些学长，都一一解决，在此过程中我学会了许多新知识，对模电课程的学习也更有兴趣。虽然此次课程设计花费了一番功夫，但却使我收获了许多。无论是对稳定电源的认识，还是对仿真软件的学习，都有了一定得提高，同时，此次课程设计也让我发现了自身存在的一些知识漏洞和动手能力的缺乏。今后，我将更加努力学习模电课程，进一步提高自己。6 主要参考文献谢自美.电子线路设计实验测试第三版.华中科技大学出版社，2005 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计.华中科技大学出版社，2004孙梅生.电子技术基础课程设计.高等教育出版社，2005黄继昌，张海贵.实用单元电路及其应用.人民邮电出版社，2006王卫东，江晓安.模拟电子电路基础.西安电子科技大学出版社，2003王槐斌，吴建国，周国平.电路与电子简明教程.华中科技大学出版社，2006附录-元件清单
