集成直流稳压电源设计本科.doc

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1、集成直流稳压电源设计本科本科毕业论文（设计）直流稳压电源设计题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 xxxxxxxx学院教务处制二一三 年 五 月摘 要随着科技的发展，电气、电子设备已经在日常、科研、学习等各个方面得到广泛的应用。电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，其需求日益增多，并且对电源的功能、稳定性等各项指标也要求更高。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，它对推动科技发展起着重要作用。采用三端式稳压电路设计直流稳压电源，通过相关知识可计算出电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压

2、等各种指标。利用protues仿真软件对所设计的电路进行仿真调试，使设计达到要求。直流稳压电压电源的设计思路是将220V，50HZ市交流电通过变压器降为合适交流电压值，然后经过整流电路将交流电转为直流电，再通过滤波电路滤除直流电中的交流成分，最后通过集成稳压器构成的稳压电路转化为稳定直流电输出。集成稳压器具有体积小、重量轻、安装和调试方便、可靠性和稳定性高等优点。关键词：电源 稳压 整流 滤波Abstract Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already bee

3、n widespread applied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energy-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. T

4、he power supply research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. Its playing the vital role in the impetus of science and technology development. This design mainly uses series linear constant voltage circuit to design direct current cons

5、tant voltage power supply.We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rate, ripple voltage and so on.

6、This design ideas for the 220V, 50HZ electricity fell right through the step-down transformer AC voltage value, and through the rectifier circuit to alternating current to direct current, and then filtered through the filter circuit in the exchange of DC components, the final composition via an inte

7、grated voltage regulator The regulator circuit into a stable DC output. And an integrated voltage regulator ICs with general small size, light weight, easy installation and commissioning, reliability and stability of the higher benefits.Key Words: Power voltage stabilizing rectifier filtering目录第一章 绪

8、论11.1 研究的背景和意义11.2 电源的应用和发展现状21.3 直流稳压电源概述21.4 本文研究的主要内容4第二章 设计方案52.1 设计的目的和任务52.1.1 设计的目的52.1.2 设计的任务52.2 设计的思路52.3 设计的电路选择6第三章 单元电路的原理和设计113.1 电源变压器113.2整流电路113.3 滤波电路143.4 稳压电路163.4.1 串联反馈式稳压电路163.4.2 三端固定式集成稳压器183.4.3 三端可调式集成稳压器21第四章 电路设计和器件选择244.1 12V直流电压对称输出电路244.2 +5V直流电压输出电路254.3（+3+9)V直流电压连

9、续可调输出电路264.4电路设计总图28第五章 电路仿真305.1 Protues仿真软件简介305.2电路仿真315.2.1 12V直流电压输出电路仿真315.2.2 +5V直流电压输出电路仿真325.2.3 (+3+9)V直流电压连续可调输出电路仿真335.3性能测试35第六章 设计总结40参考文献41致谢42附录43直流稳压电源设计第一章 绪论1.1 研究的背景和意义随着电子技术的发展，电气，电子设备在人们的生活和生产中起到了越来越重要的作用，许多的电子设备对电源也提出了更高的要求。通常会有相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电, 而是需要能够输出稳定直流电的的直流电源，而且对

10、直流电源的性能、体积、重量等的要求也在不断提高，在世界能源贫乏的今天，电气，电子设备对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；与此同时，电子设备种类的不断增加，它们对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。自上世纪九十年代以来，电子系统要求实现更高的效率和更低的功耗，电信与数据通讯设备的技术更新速度飞快，它也推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和更具智能化的方向发展。从80年代的第一代分布式供电系统开始，到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流电源行业正面临着更大的挑战，那就是怎样实现在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制功能。其实，在90年代中期，一

11、些半导体生产商们就能够开发出了数控电源管理技术，但是在当时，这种方案的性价比与市面上广泛使用的模拟控制方案相比还相差甚远，因此没有被广泛采用在生产和生活当中。因为当时板载电源管理被广泛的应用，电源行业能源节约和运行最优化也备受关注，电源行业和半导体生产商们便开始着手开发名为“数控电源”的一种新产品。 在今天，随着直流电源技术的快速发展, 整流系统的发展由以前的分立元件和集成电路控制转换为使用微机控制, 使直流电源达到了智能化的性能,其中包括 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能的直流电源, 基本实现了在直流电源无人看守的情况下也能工作。1.2 电源的应用和发展现状 电源技术是一门实践性很强的电子工程

12、技术，它服务于当今社会的各行各业，在生产和生活中得到广泛的应用。电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域的知识。随着计算机技术和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了非常广阔的发展前景，同时也对电源提出了越来越多的要求。数控电源在电子装置中得到普遍使用，但是普通电源在工作时产生一些误差，会影响到整个系统的精确度，电源在使用时甚至会造成很多不良后果，给生产带来不便，因此世界各国对电源产品提出了不同的要求并制定了一些的产品精度标准。只有满足了这些产品标准，才可以进入市场。在经济全球化发展的今天，只有满足国际标准的电源产品才能获得进出各国的通行证。电源可以分

13、为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的重要组成部分。交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备，电子产品都要采用直流电源作为供电能源，比如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等。现在所使用的大多数电子设备，几乎都必须用到直流稳压电源供电，才能使其正常工作，而如今最常使用的是能将交流电网的交流电压转换为稳定直流电压的直流电源，由此可见直流稳压电源在电子设备中起着非常重要的作用，直流电源为电子、电气设备能够正常稳定的工作提供保证。电网的220V、50HZ的单向交流电经电源变压器降压后，再经过整流滤波过程可获得电压较低的小功率直流电源。又因为一般的电网电压会有10%幅度

14、的波动变化，必须将整流滤波后的直流电压经过稳压电路稳定后再提供给负载，才能够使负载上直流电源电压受电网波动因素的影响程度达到最小，保证电子设备的正常工作。1.3 直流稳压电源概述 在电子电路和电子设备中，一般都需要电压稳定的直流电源供电，作为电子电路中必不可少的重要组成部分，它的作用有两个方面，一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路提供能量来源。常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式向电路供电，这种供电方式是用化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，这种方式的缺陷在于能量的使用要受很多实际条件（如电池的容量）的限制；另一种方式是利用电网向

15、电路供电，这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量，因为电网所提供的能量是源源不断的，所以这种供电方式具有很大的优势，也被广泛的使用。直流稳压电源的基本组成结构可以用图1-1表示，它一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。 图1-1直流稳压电源结构图 电源变压器的作用是是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，通过整流电路可以将交流电压变成脉动的直流电压。因为这种脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，才能得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，电网波动一般在10%左右，会受负载和温度的变

16、化而变化。因而在整流、滤波电路之后，电源还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，保证输出直流电压稳定。 在电子设备中，所需的直流电压比较小，一般在千瓦以下，但是要求电压具有较高的稳定性。通常对直流电源的性能要求是：输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。直流电源的性能指标主要有如下几个： （1）输入电压Ui。电源所要求的输入电压，一般是220V、50Hz 的交流电。 （2）额定输出电压U0 。 电源输出的直流电压，可变电源的某个范围值。 （3）最大输出电流Imax 。 电源在额定输出电压U0 下工作时，所能提供的最大输出电流。有时也用最大输出功率Pmax 来表示。（4）

17、纹波系数S 。 电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比，它反应了输出电压的稳定程度。1.4 本文研究的主要内容（1）复习电子电路的相关知识，了解直流稳压电源的组成和工作原理。查阅并收集与本课题有关的资料。（2）设计直流稳压电源，满足性能指标要求，并对设计电路进行工作原理分析，元件参数计算及元件选择。（3）对所设计电路进行仿真与调试。（4）关于直流电源设计和仿真的总结与体会。第二章 设计方案2.1 设计的目的和任务2.1.1 设计的目的随着电子技术的发展，电子设备在人们的日常生活和生产中的地位也越来越重要，直流稳压电源是许多电子设备不可缺少的组成部分，它被广泛的应用于教学、科研等诸

18、多领域。通过直流稳压电源的设计和对所设计电路进行仿真与调试，巩固所学的电子技术知识，提高对电路的设计、分析、应用和仿真的能力，为今后的从事相关的研发工作奠定基础。2.1.2 设计的任务设计一个直流稳压电源，使之能够满足性能指标要求，能够对设计电路进行工作原理分析，计算出相关元器件参数，选择符合要求的各种电路元器件；利用仿真软件对所设计电路进行仿真与调试；对直流稳压电源的仿真调试结果进行分析和总结。直流稳压电源的主要设计指标如下： (1) 输出电压Uo及最大输出电流Iomax：I 档 ： Uo=12V对称输出,Iomax=100mA;II档 ： Uo=+5V,Iomax=300mA;III档 ：

19、 Uo=(+3+9)V连续可调,Iomax=200mA。 (2) 纹波电压： Uopp5mV。 (3) 稳压系数：SUI0max。3.2整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其电路如图3-1所示，这种电路，只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有普通全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。因为二极管具有单向导电性，在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用。在桥式整流电路中，流过变压器次级的电流是正负相对称的，没有直流成分流过次级绕阻。桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小，管子所承受的最大方向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内部都有电流供给负载，使

20、电源变压器得到了充分的利用，利用效率较高。图3-1 桥式整流电路1. 桥式整流电路的工作原理 如图3-1所示，当U2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成U2、Dl、RL 、D3通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；当U2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成U2、D2、RL 、D4通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图3-1中还不难看出，桥式电路中每只二极

21、管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值。 如图3-2所示，经过桥式整流后，在负载电阻RL上正得到的是同一个方向的单向脉动电压。 图3-2桥式整流电路波形变化2. 桥式整流电路的参数计算 (1)输出平均电压Uo。 由Uo波形可知，桥式整流电路的输出平均电压是半波整流电路的2倍， 即： （3-2） (2)流过每个二极管的平均电流ID。 由于D1 、 D3和D2、 D4轮流导通， 因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半， 即： （3-3） (3)二极管承受的最高反向峰值电压URM。 当U2上正下负时，D1 、D3导通，D2、D4截止， D2 、D4相当于并联后跨接在U2上，因此反向最高峰

22、值为： （3-4）3.单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线。如图3-6所示：该曲线的斜率代表了整流电路的内阻。 图3-3单相桥式整流电路的负载特性曲线3.3 滤波电路交流电经过整流电路后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接给电子电路供电。采用电容滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。电容滤波电路，如图3-9所示：图3-4 电容滤波电路图3-5 电容滤波变化示意图1.工作原理如图3-5所示，若电路处于正半周，则二极管D1、D3导通，变压器次端电压U2给电容器C充电。此时C相当于并

23、联在U2上，所以输出波形同U2 ，是正弦形。在t1到t2时刻，二极管导电，充电，Uo=Uc按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，UC=URL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。当L很小，即IRL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。然而，当L很大，即IRL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。通常，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。如果负载开路，即负载电阻趋于无穷大，电容

24、没有形成放电回路，此时输出电压将保持为U2的峰值不变。2.电容滤波电路的参数计算（1）输出电压的估算 电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数=RLC有关，应远大于U2的周期T，通常，当 =RLC（35）T /2时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即UO1.2U2。（2）因为整流二极管的导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，所以要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足 : IFM2IV=IO。 （3）如果负载电阻RL的大小，可根据公式选择滤波电容C的容量，即 C（35） T /2RL。 （3-5）若容量偏小，输出电压UO将会下降，一般选择较大容量的电解电容；电容的耐压值应大于U2的峰值，同

25、时要考虑到电网电压波动的因素，留有一定的余量。电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。选择滤波电容时需要满足条件：RLC(3-5)T/2。电容滤波电路的输出特性曲线如图3-6所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载变化不大的场合。图3-6电容滤波电路的输出特性曲线3.4 稳压电路由于稳压电路会因为外界因素发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随之发生变化而不稳定。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需一个稳压电路。稳压电路所起到的作用是当电网电压、负载、外界环境温度等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维

26、持电压的稳定输出。3.4.1 串联反馈式稳压电路串联型稳压电路是以稳压管电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；同时，可以通过改变反馈网络参数使输出电压可调。图3-7 串联稳压电路的基本组成电路1.串联型反馈式稳压电路的工作原理如图3-7所示，显然有，VO =VI-VR，当VI增加时，R因受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。当负载电流IL增加时，R受控制而减小，使VR减小，这就在一定程度上抵消了因IL增加使VI减小，对输出电压减小的影响。2.典型串联反馈式稳压电路在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来

27、替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。 如图3-8所示，串联反馈式稳压电路由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源四个部分组成。图3-8 串联型稳压电路方框图（1）当输入电压变化，负载电流保持不变。若输入电压VI的增加，会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号V。误差信号经放大器进行放大后，使用VO1去控制调整管的管压降VCE的增加，这样就抵消输入电压增加的影响。其变化过程可以描述如下：（2）当负载电流变化，输入电压保持不变。若负载

28、电流IL的增加，会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号VF与基准电压源VREF比较，获得的误差信号V。误差信号经放大器进行放大后使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，这样就抵消了因IL增加使输入电压减小的影响。其变化过程可以描述如下： 3.串联反馈式稳压电路输出电压调节范围的计算VfVREF ， (3-6) 由上式可以看出，通过调节R2可以改变输出电压。串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损

29、坏。3.4.2 三端固定式集成稳压器 目前在市场上，集成稳压器的类型有很多，使用也很广泛，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端集成稳压器,其内部也属于串联型稳压电路结构。三端集成稳压器按其输出电压类型可分为固定式稳压器和可调式稳压器，此外这些集成稳压器又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。 三端固定式集成稳压器的外形和管脚排列如图3-9所示。从图中可以看出它只有输入、输出和公共地端三个端子,所以称之为三端稳压器。 图3-9 三端固定式集成稳压器外形及管脚 国产的三端固定集成稳压器有CW78XX系列和CW79XX系列,CW78XX系列能够输出正电压，CW79XX系列输出负电压，它们的输出电压值

30、有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等,最大输出电流有0.1A、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。 78系列和79系列的典型电路如图3-10（a）、（b）所示：图3-10（a）正电压输出 图3-10（b）负电压输出在图3-10中，输入与输出之间的电压差不得低于3V.电容Ci的作用是用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。用来改善波形。通常Ci大小取0.1mF 0.33mF。电容Co的作用是为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。通常Co大小为1mF。 如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压，即要提高输出电压时,可采用

31、图3-11（a）、（b）所示电路。 图3-11提高输出电压的接线图 图3-11(a)中, (3-7)在上式中,UXX为集成稳压器的输出电压值;UZ为稳压管的稳压值。图3-11(b)中, (3-8)在上式中,IW为三端稳压器的静态电流,一般大小在几毫安左右。 当负载电流大于三端稳压器输出电流，即要提高输出电流时,可采用图3-12（a），（b）所示电路。 图3-12 提高输出电流的电路其中的电流关系为： （3-9） （3-10） （3-11）因为1,且IW很小,可忽略不计,所以有 （3-12） （3-13） 在上式中,R为V提供偏置电压;UBE的大小由三极管决定,通常锗管为0.3V,硅管为0.7V

32、。图3-12(b)中,输出电流为单片三端稳压器的两倍,即 ： （3-14）如果要求电路同时具有正、负电压输出功能。可采用图3-13所示电路,由图可知,这种电路可以在输出端得到大小相等、极性相反的电压。图3-13 正负电压对称输出的稳压电路3.4.3 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点,同时有继承了三端固定式集成稳压器的一些优点。三端可调集成稳压器CW317和CW337是一种悬浮式串联调整稳压器,它们的外形如图3-14所示,内部电路如图3-15所示。317系列集成稳压器能够输出连续可调的正电压，337系列集成稳压器能够输出连可调的负电压。图3-14

33、CW317和CW337外形图图3-15 三端可调式集成稳压器内部原理图图3-16 CW317和CW337典型应用电路 在实际的应用当中，为了使电路正常工作,一般317和337系列稳压器输出电流不小于5mA。其输入电压范围在240V之间,输出电压可在1.2537V之间调整,负载电流可达到1.5A,因为调整端的输出电流非常小（且恒定,可将其忽略不计,这样输出电压可用下式表示: (3-15)在上式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，会产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP，通常电阻取值为，根据LM317输出电压表达式，取：R1=2.2k,R2=2k。RP一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。 可调式稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和lM337系列的引脚功能基本相同。LM317的一些特性参数如下： （1）输出电压可调范围：1.2V37V； （2）输出负载电流：1.5A； （3）输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340V。3.4.4 集成稳