七、电源设计设计制作报告.docx

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1、电源设计作者：1111111111111辅导教师：1111111111111111摘要就像水是人的生命之源，电源则是电路的能量来源。本文设计制作了一个集 稳压、稳流、DC-DC变换和变频于一体的高稳定电源。采用TL494组成的降压 型DC-DC稳压电路和LM324组成的线性稳压电路组成稳压电路，LM324组成 稳流电路，DC-DC变换电路由TL494和高频电压器构成，变频则由单片机控制， 通过软件实现.采用LCD12864液晶显示主芯片温度和输出电压，数码管显示输 出电流。本电源功能全面，输出稳定可调，在工业生活中具有很大用途.关键字： 稳压稳流DC-DC变换变频一、引言电源作为电路的能量来源

2、，在电路中起着关键作用。设计并制作交流变换为直 流的稳定电源并进行变频电源设计，要求如下：（1）基础部分 稳压电源。在输入电压220V、50Hz电压变化范围+ 15%一20%条件下：a. 输出电压可调范围为+9V+12Vb. 最大输出电流为1。5Ac. 在输入电压220V变化范围+ 15%一20%下，空载到满载的电压调 整率0.2%d. 最低输入电压下，满载的负载调整率1%e. 最低输入电压下,满载时，纹波电压（峰一峰值）5mVf. 输出电压。、输入电压220V下，满载时，效率N40%g. 具有过流及短路保护功能 稳流电源。在输入电压固定为+ 12V的条件下：a.输出电流:420mA可调上输入

3、电压+ 12V、负载电阻由200Q300Q变化时，负载调整率1%（输出电流为20mA） 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10mA匕输入电压变化范围+9V+12V下，电压调整率1%c-输入电压+12V下，空载到满载，负载调整率1%d-输入电压+9V下，满载，纹波电压（峰-峰值）100mV 对输出电压进行变频设计。使输出电压频率在（25hz75hz之间变化），并 能显示频率变化。(2) 发挥部分 扩充功能a. 排除短路故障后，自动恢复为正常状态b. 过热保护c. 防止开、关机时产生的“过冲” 提高稳压电源的技术指标a. 提高电压调整率和负载调

4、整率b. 扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值 改善DC-DC变换器a. 提高效率(在100V、100mA下)b. 提高输出电压 用数字显示输出电压和输出电流。二、方案设计1。设计思路在接入市电下，先制作稳压电源稳定输出电压范围在+9V+12V；然后制作 稳流电源，在稳定输入电压为+12V下，输出稳定电流范围420mA可调；第三 步制作DC-DC变换器，在输入电压为+9V-+12V条件下，输出电压+100V，输 出电流10mA ；最后用单片机以软件实现变频设计。在稳压部分增加线性稳压模 块可有效降低电压调整率和负载调整率，采用集成芯片可提供过流、过压保护。 采用温度传感器结合软件实现过热保

5、护。电源关键在于输出纹波尽量小，带负载 能力尽量大，所以整个设计主要围绕这两方面进行。系统框图如下图1所示：图1总系统框架图2. 方案论证与选择(1)稳压电源方案论证与选择方案一：从滤波电路输出后，直接进入线性稳压电 路.系统框图如下图2所示.线性稳压电路输出值可调， 输出为+9V+12V直流电压。这种方案优点在于:电路 简单，容易调试,但效率上难以保证，因为线性稳压电路 的输入端一般为15V左右的电压，而其输出端只有912V，两端压降太大，功率损耗大，不利电路总效率.方案二:以方案二为基础，在线性稳压电路的前端加入降压型DC-DC变换器， 采用脉宽调制(PWM)技术和恒压差控制技术，系统框图

6、如图3所示。在这种情 况下，通过DC-DC变换器把不稳定的直流电压转变为稳定的直流电压，由于采用 脉宽调制技术和恒压差控制，使得线性稳压电路两端压差减小，有效降低功耗。另外，因为使用脉宽调制，很容易进行过流、过热和自保恢复.图3方案二系统框图综合比较，方案二更加满足要求。(2) 稳流电源方案论证与选择方案一：采用双运放构成恒流电路.这种方案利用运放构成一个深度负反馈 电路，能够有效抑制外界干扰，使得恒流电源工作稳定性增强。方案二：采用LM317集成芯片构成基准电压源。将LM317的3端与1端之 间固定压降为1。25V，流经固定电阻后产生稳定电流.综合比较，考虑LM317集成度非常高，不利于实行

7、项目自我设计，因此选 方案一。(3) DC-DC变换器方案论证与选择方案一：采用Boost型DC-DC升压器.这种方案虽然容易实现，但是不适合 自行设计，输出/输入电压比也太大，输出电压范围小，难以达到较高指标.方案二：采用带变压器的开关电源。采用高频电压器，可以做到输出电压宽， 开关频率和占空比合适.(4) 显示器的论证与选择方案一：采用七段数码管显示.数码管，显示大亮度高，驱动部份的软件简单, 但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码，对数码管而言硬件电路较 复杂，还要显示万年历，因此数码管不适合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶显示.12864是一种图形点阵液晶显示器，它

8、主要 由行驱动器/列驱动器及128X64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也 可以显示8X4个(16X16点阵)汉字.具有很好的人机界面。综合比较，考虑到需显示的量比较多，因此同时采用方案一和方案二。12864 主要显示温度、输出电压和频率，数码管显示输出电流.3。系统硬件电路设计(1) 整流滤波电路土;整流滤波电路将220V/50HZ的交流电压转换成直流；七*电压。电路原理如图4所示。当输入为220V交流电压J VJr p 时，首先通过变压器降至23V左右交流电压，整流部分1选用全波桥式整流电路形式，经电容滤波输出电压为图-变压整流寤波电路29V直流电压。(2) 稳压电源电路PWM降压型

9、开关稳压电路:采用集成芯片TL494为控制核心，其他由PNP型 大功率开关管TIP32A、二极管MR850和LC低通滤波电路组成.电路原理图如下 图5所示。TL494产生固定开关频率控制大功率开关管TIP32导通与断开，开关 管导通期间，二极管MR850反偏，由输入提供能量给电感，同时提供能量给负载。 当开关管断开时，电感电压使二极管导通，电感中存储的能量传送给负载。图5 PWM降压型开关稳压电路开关电源的开关频率由TL494 上引脚端5和6上的电容C和电阻R决定，关系式为TTf - 1.1 osc R x C选取开关频率fosc =1。1MHz，则选取电阻R =1K，电容C =1000P。,

10、 、 一 ,一一 一 ,、工,一一 一T一 电容C和电阻R到输入地接一 0.1Q的电阻，达到限流保护的作用.线性稳压电路:在!降压型开关稳压电路的基础上,实现线性高精度稳压，以降低纹波，提高电压调整率和负载调整率。线性稳压电路由稳压管TL431(2.5V)、 比较器(LM324)、达林顿管MJE3055和电阻反馈网络组成.电路原理如下图6所示。图6线性稳压电路图稳压管产生一个基准电压25V,接比较器同向输入端，输入电压经电阻网络 分压反馈至比较器方向输入端进行比较，比较输出电压控制达林顿管的发射极电压，从而得到所需高稳定直流电压.输出电压为k -匕段 x R + Rp + R)O R + R取

11、R1 =3K, R2 = 1K,则调节电位器Rp可使输出V,在+9V+12V可调.1 (3)稳流电源电路稳流电路主要由双运放LM324构成。电路原理如下图7所示。图7 LM324构成稳流电源电路输出级LM324的同向电压Vp和反向电压Vn分别为V = Vr+XoR.V =p R3 + R4 R3 + R4n R1 + R2根据放大器特性，Vp=Vn，取V - V。= Vr，则R5上的压降（V - V ）等于基准电压匕，计算得到rR2=R3=R4。则输出电流为图7 DC DC原理图4图8 TL494控制的升压型开关稳压电路调节电位器可得到输出电流范围420mA。（4）DCDC变换器电路升压型开关

12、稳压电路的工作原理如图7所示。开关管导 通时，输入电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，无输 出。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，二极 管正偏，输入向负载提供能量。DCDC变换器（升压型）以TL494为控制核心，以功率晶体管IRF630、整流 二极管HER107和高频变压器，以及阻容元件构成。TL494内部结构见附件2，电 路原理如图8所示.TL494产生一定频率PWM波，控制功率晶体管导通和截止。当 IRF630受控导通时，高频变压器将电能转变成磁能储存起来，当IRF630截止时, 高频变压器原、副边电压极性改变，HER107由反偏变为正偏导通，高频变压器 将原先储存的磁能转变为

13、电能，通过整流和LC滤波网络变成直流向负载供电。TL494产生开关频率控制功率晶体管，并且产生基准电压时。输出电压为V = x + R + ）OutR2 + %取R100K，Ri2=2.5K，调节电位器Rw=3.125K，则可计算得输出电压V =100VO 高频变压器：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通 有交流电变压器原理图流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压 （或电流）。变压器由铁芯和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源 的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈.市面上很难买到适合题目要求的高频 变压器，因此我们选择自己绕制。输入电压最小值Vin=

14、9V，最大占空比Dmax=0.45，要求输出电压U=100V，电 流I=10mA，得变压器功率PO = U XI = 100 X 0.01 = 1W取f=40KHz，则变压器绕阻电感量L = mXDmax =9x0。45/ （0.01 x40000） =10。1mH PI x f匝数比 N1/n 2 =/ DxG Dmax、X y ） =（100+1）X （10.45）/（0。 max in45 x 9）=13（5）单片机模块A/D转换器：采用AT89S52单片机作为A/D和显示的控制中心，A/D转换的 作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。该设计运用的 是AVR单片机内部

15、10位A/D转换器，A/D转换器的位数确定与整个测量控制系 统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变 换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等.A/D转换器的原理图 如附件3所示。温度传感器：温度传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装 置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电 信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录 和控制等要求。温度检测采用DS18B20温度传感器。DS18B20的温度检测与数 字数据输出全

16、集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为 两个部分，即温度检测和数据处理.红外遥控：红外遥控是将一个由“ 1”、“0组成的指令串，被调制成38KHz 的脉冲段，经放大后，由红外发射管发射。接收端由红外接收管、选频在38KHz 的放大电路等组成。把接收到的红外信号还原成指令串，从而实现遥控的目的。 红外模块原理图见附件4所示.（6）显示模块采用LCD12864显示温度、输出电压和变化后频率，用ICL7107和数码管显 示输出电流，12864与单片机的连接图和7107外围线路图见附件5。（7）外接电源模块此电源仅为ICL7107提供+5V和一5V工作电压。采用桥式整流，采用三端集

17、 成稳压器7805和7905稳定输出需要电压。电路原理图见附件9所示。4 .系统软件设计（1）变频设计通过单片机产生一组PWM波，软件控制CD4066双向模拟开关的开关频率， 从而达到控制PWM波的频率效果。CD4066集成电路内部主要由四路功能完全 相同的电子开关组成，各组开关分别受其相应引脚输入的电平控制，使电子开关 接通或断开。它们的控制引脚为13脚（控制与间开关）、脚（控制与 间开关）、脚（控制与间开关）、12脚（控制与11间开关）.其内部结构 图见附件10所示。（2）程序设计主函数显示界面打开，接受分析温度传感器信号、A/D转换电压信号，调用子函数显示温度、电压。红外遥控接收管接收红

18、外信号，单片机分析改变和显示 频率.程序流程图如下图9所示：单片机祕频率输出x51单片机棚冶化计算J19B2D温度传感器UART 接口 /频率显示P 4*电流显示*电压显示*ABC通道MADC通道”数据采集丁 数据接收口A履显/K红外融X图9变频显示程序流程图三、系统测试1 .测试条件和测试仪器设备系统容易受到温度的干扰，测试时必须在室温下进行，并要确保供电电源的 稳定性，测试仪器设备如下表1所示：表1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1Tektronix示波器1TektronixC0390702函数信号发生器EE164281南京新联电子设备有限公司0013983数字万用

19、表UT58E1UNI-T30500306332 .测试方法和测试结果所有测试电路详见附件1.(1)稳压电源测试 输出电压和输出电流测试。外接负载为6Q的功率电阻，调节电位器，改变输出电压,观察电流表读数变化。测量结果如下表2所示:表2输出电压、输出电流测试结果输出电压V910111213输出电流A1.51。51。51。511.51测试结果表明：输出最大电流不小于1。5A,并且不大于1.51A。 电压调整率测试。输入市电下，从空载到满载，测得输出电压如下表3所示：表2电压调整率测试结果负载空载满载输出电压9。02V9.04V计算出电压调整率为实x100% 如2%满足题目要求。 纹波测试。接上负载

20、后用泰克示波器观察纹波Uc=30mV,不能满足指标 要求。分析原因可能是电路基准电压不够稳定，也可能是开关电源部分开关频率 选取不够合适。 效率测试。万用表测得变压器输出电压V,=232V，输出电流I=1.55A。 电源输出电压V=8。24V，输出电流I=1。5服。则效率为 PV x I8.24 x 1.50门 OUT x 100% = OUTOUT x 100% = x 100% = 34.4%PV x I23.2 x 1.55(2)稳流电源测试 输出电流测试。外接负载阻值为200Q,调节电路中的电位器用万用表测 出输出电流最小值和最大值。测试结果如下表3所示：表3稳流输出电流测试结果项目最

21、小值最大值输出电流mA3。026。1结果表明：输出电流在420mA范围内可调。 负载调整率测试。用万用表分别测出负载为200Q和300Q时的输出电 流，结果如下表4所示：表4稳流负载调整率测试结果负载200 Q300 Q输出电流mA19.9819.96计算出负载调整率为AI19.98 -19.9619.98x 100% 0.1%(3) DC-DC变换器测试 输出电压和电流测试电路见附件5所示。测电流所接负载阻值为10K， 测试结果输出电压U=100V，输出电流I=10mA。 电压调整率测试。在输入912V电压下，用万用表直接测输出电压， 结果如下表5所示：表5 DC-DC电压调整率测试结果输入

22、电压V912输出电压V100100。1计算电压调整率为U100.1 -100100x 100% = 0.1% 负载调整率。测试电路见附件6所示，输入电压为12V下，满载阻值为 10K测试，结果如下表6所示：表6 DC-DC负载调整率测试结果负载空载满载输出电压V100100.1计算负载调整率为AU100.1 -1001x 100% = 0.1% 纹波电压测试。输入电压9V下，满载，用泰克示波器直接测出纹波电 压大小为200mV左右。（4）变频测试。泰克示波器观察,预置输出频率，显示结果如下表7所示：表7变频测试结果预置频率Hz1530456075输出频率Hz15.0330.1245。3960。

23、2175。18结论综合测试表明，我们的设计基本满足了设计要求，制作出相对稳定的电源. 但是稳压输出电压纹波和DC-DC变换器输出电压纹波过大，没有达到指标要求。 其他功能指标均已实现。采用LCD12864和数码管综合显示，突显人性效果。能 够显示输出电压、输出电流、温度和实现变频显示等。该设计具有良好的实用性， 基本能够满足所用需求。五、参考文献【1】郁有文，常健程继红.传感器原理及工程应用（第二版）。西安。西安电子 科技大学出版社。2004【2】康华光。电子技术基础模拟部分（第五版）。北京.高等教育出版社。2005【3】洪志刚.传感器原理及应用.北京.高等教育出版社。2007【4】张洪润，张

24、亚凡.单片机原理及应用.北京.清华大学出版社.2005【5】赵亮，侯国锐。单片机C语言编程与实例，北京.人民邮电出版社.2003附件附件1:系统测试方法测试电路图输出电压测试电路输出电流测试电路附件2： TL494的内部结构图附件3:A/D转换器的内部结构图附件4：红外遥控原理图附件7：显示屏与单片机的连接图g g2gs:st笙界s:s!?i!UH/皿 *H:m?:心3 栏嚣器 H附件8:ICL7107外围电路原理图+5V-5VQ舌 枝 st 8 G % l-z ttnm N ow 王三 Soo LHJ t-山J OJ专 X ICL71C7。-0.仲 C2 = 0.47pF= 022pF C4. = lOOpF 匚 5 = 0.02UF Ri = 24kQ R2 =47kQ R2 = 100KH Rj = 1kQ rs = 1 iwinDI5FLAT-/933附件9：电源电路原理图附件10： CD4066内部结构图附件11：系统总原理图炼I嗑励附件12:（系统程序另附）