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1、2013年全国大学生电子设计大赛报告多 路 输 出 稳 压 电 源摘要：1关键词：1Abstract1Keywords 1一、前言2二、总体方案设计21、方案论证与比较22、方案选择5三、单元模块设计51、各单元模块功能介绍及电路设计52、电路参数的计算及元器件的选择83、特殊器件的介绍84、各单元模块的联接9四、系统调试 10五、系统功能、指标参数111、主要功能112、系统指标113、指标参数分析11六、设计总结11七、参考文献11八、附录 111、电路原理图122、电路仿真图123、PCB 图13摘要：电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的 技术指标及能
2、否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类， 由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可 达80%90%，输出性能可靠，多用数字电路中；电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电 压小；瞬态响应速度快。采用变压器降压，电路简单、可靠、安全，但输出电压效率低、笨 重、体积大、成本高。只能满足一些对电压要求不高的场合，本设计采用变压器降压，对一 些电路能满足一般要求。关键词:稳压变压器LM2576多路输出Abstract: power is the indispensable part of all kinds of electronic
3、equipment, its performance is directly related to the technical index of electronic equipment and can work safely and reliably. The common DC regulated power supply line of the power supply and switch power supply two categories, the switching state of the switch power supply key components working
4、at high frequency, its energy consumption is low, the efficiency of the switching power supply output can reach 80%90%, reliable performance, with the digital circuit; stability of power supply and load with high stability output ripple voltage; transient response speed. A step-down transformer, the
5、 circuit is simple, reliable, safe, but the output voltage is low efficiency, heavy, large volume, high cost. Can only meet some of the voltage requirements are not high, this design uses a step-down transformer, some of the circuit can meet the general requirements.Keywords: power transformer LM257
6、6 multiplex output一、前言随着科技的进步、社会的发展，各种各样的家用电器已经进入了平常百姓家， 而这些电器都离不开一样东西一一电源，电源是能量的提供者，不断的为这些电 路输送能量。本设计采用直流稳压电源，直流稳压电源一般由电源变压器，整流 滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。 整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定 的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流， 滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电。一、总体方案设计1、方案论证与比较方案一：采用开关稳压电源。采用开关稳压电
7、源的优点：功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、 滤波的效率高，使滤波电容的容量和体积大为减少。缺点：电路复杂、技术难度 高、只能对一组电源实现稳压、安全性差、存在较为严重的开关干扰。开关稳压 电源中，功率调整开关品体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过 电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施 进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电 源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电 子仪器、设备和家用电器受到严重干扰。考虑到在短时间内做出来的困难较大、 安全性差，所以不采用本方案。系统结构图如
8、图1所示，开关电源电路图如图2 所示。3SAV的尘泡电髀2*的输酣泗酒巷*屯肮反伸111111P1R方案二：工频变压器降压，多组交流输出，线性稳压。其优点：线路结构简单，便于检修；电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹 波电压小；瞬态响应速度快；可靠性高；安全。缺点：功耗大，效率低，其效率 一般只有45%；体积大、重量重、成本大、不能微小型化；变压器结构复杂，较 大的散热片；必须有较大容量的滤波电容。考虑其结构复杂不易集成我们不采用 此种方案。系统框图如图3所示，电路图如图4。图3变压器降压系统框图FU2图4变压器降压多路输出电路图方案三：工频变压器降压，一组双交流输出，串联线性稳压串联线性稳压是
9、通过调节调整管的动态电阻来调整输出电压，其优点：电路 简单、变压器结构简单。缺点：输入输出压差大的情况下效率低，发热严重，器 件功耗大。考虑其效率和成本的情况下舍弃这个方案。原理图如图5所示：U?MC7812Vin+ 12VDNG21DNGAS1117VinD NCVout图5工频变压器降压电路图方案四：工频变压器降压，一组双交流输出，线性稳压与开关稳压相结合。上一方案的主要缺点在+5V电压稳压电路。将该部分电路用开关稳压电路代替。开关稳压电路大大提高电源效率，减少发热。可靠性会大幅提高。电路复杂程度略有提高，这种降压开关电源有成熟的器件和典型电路，应用已十普遍。系 统方框图如图6所示：交流2
10、20V土 12V 稳压电路+5V稳压 电路电流检匚二 测放大电路LED电源 匚亨指示电 路图6工频变压器降压稳压电路系统框图2、方案选择因为本设计对电源的质量要求不高，能满足电源的一般要求就行，又考虑到 成本、安全、难度问题，本设计采用第三种方案。三、单元模块设计1、各单元模块功能介绍及电路设计 变压器降压电路变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主 要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变 换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：配电变压器、 电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、十式变压器、油浸式变压器
11、、单相 变压器、电炉变压器、整流变压器等。由于本设计最高的电压是12V所以采用 常见的工频变压器降压输出为交流12V。 整流电路整流电路一般有两种整流桥和二极管组成整流桥。其实整流桥就是把二极管 组成的整流电路封装在一起，这样用起来即方便又美观，一致性好，但是今后换 大电流整流桥时不容易装在电路板上。所以本设计采用4个二极管组成整流桥，其成本低、又易调试焊接也容易满足电路对二极管的要求，由于输出最高的电流 是500mA左右，所以采用工作电流为1A的IN4007整流。整流电路图如7所示：图7整流电路图 滤波电路滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负 载电阻两端并联电容
12、器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成 的各种复式滤波电路。本设计采用常用的电容滤波电路，前级滤波电容选用 2200UF/25V，后级采用容量小一点的电容器。 12V稳压电路稳压电路有很多种，我们常用的有并联和串联型稳压电路、三端集成稳压电 路，三端集成稳压电路已经做得很成熟，其电路简单、输出电压波动小、稳定度 高、成本低，所以本设计采用L7812CV和L7912CV三段稳压器。12V稳压电 路如8所示：U5L7912CV图8 12V稳压电路+5V稳压电路由于从15V降到+5V就有10V的压差，最大电流可达500mA左右，这样 三端稳压器就有5W的功率，消耗功率太大造成输出功率下
13、降，如果采用开关稳 压电路DC-DC，效率高、输出功率大、电压稳定可靠，所以本设计采用常用的 LM2576构成的稳压电路。LM2576稳压电路如9所示：LM2576/LM2576HV-5.00N/CFF80虹311M5322-r图9 LM2576稳压电路+3.3V稳压电路由于3.3V用的很少，大部分3.3V稳压都是在原板子上做的，所以本设计采用LDO低压差线性稳压器AS1117-3.3V。AS117稳压电路如10所示：RF;I I ITNOUTGNDUUT图10电流、电压检测电路电压检测电路就直接在电路板上焊上监测点就行，由于电流不易检测所以本 设计采用0.1欧姆的电阻串联在电路中，在电阻产生
14、的压降很小，所以要经过放 大电路放大，才容易检测电流的变化。电流信号放大电路如11所示：图11电流信号放大电路-1ZV2、电路参数的计算及元器件的选择变压器输出为12V，经过整流滤波后输出电压为24 x 2 =33.936 V两个 端子的对地电压是33.936/2 = 16.968V，这两个电压给土 12V稳压电路，采用三 端稳压器的话有5V的压降，如果通过的电流是300mA,这样它的功率就是5X0.3 =1.5W左右的功率，如果是大功率器件的话务必要加上散热片。电流检测电路 的输入与输出电压关系式是Uo = (021) Ui。经过以上计算所以本设计采用，变压器选用输出为12V输出的降压变压器
15、， 整流电路选IN4007二极管，滤波电路选用电容滤波，土 12V稳压选用L7812CV 和L7912CV三段稳压器，+5V稳压选用LM2576-5.0，3.3V稳压选用AS1117稳压， 电流检测电路选用LM358构成的放大电路。L7812CV和L7912CV最大输出1.5A 的电流，LM2576允许最大输出电流是3A，有4%的波动。AS1117允许最大输出 为800mA，能满足本设计的要求。3、特殊器件的介绍LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压 电路，具有非常小的电压调整率和电流调整率。它内含固定频率振荡器(52kHz) 和基准稳压器(1.23V)，并具
16、有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等， 利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576输出电压的误 差范围为4% ；振荡器的振荡频率误差范围为10% ；典型的待机电流为50A， 芯片内置过流保护电路和过热保护。LM2576系列包括LM2576(最高输入电压40V) 及LM2576HV(最高输入电压60V)二个系列。各系列产品均提供有3.3V(-3.3)、 5V(-5.0)、12V(-12)、15V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该 芯片还提供了工作状态的外部控制引脚LM2576可以高效的取代一般的三端线性 稳压器，它能够充分的减小散热面积，在一些应
17、用条件下甚至可以不使用散热片。 LM2576典型应用电路如图12所示，LM2576功能框图如图13所示：7V - 40V(6flV for HV)+徂UWEOJL砰山1DC INPUTFEEDBACKJ- CINlOOgFLM2576/LM2576HV-5.0OUTPUTL1WOFF出件岫1N5&22+5VREGULATED0UTPU1讪 3A LOAD1000 pF图12 LM2576典型应用电路 REGUIJlTDItaii/orcJrJLj 3t RS=l.7K5v R2=3 KLZu R 2=8.4K15? R2=l 1 3K For AdLiable R2=0K KlfpenC1ZZ
18、AS1117Vin VoutGND/ADJC2Rload功能框图UHREflLLtTED VC NFUT4图13 LM2576功能框图AS1117是低压差的三端线性稳压电路。外围应用电路简单，固定电压版本 只需输入输出，两个电容和负载即可工作。芯片内部包括启动电路，偏置电路， 电压基准源电路，过热保护，过流保护，功率管及其驱动电路等模块组成。当芯 片内部结温大于140C以上或负载电流大于1.4A时，芯片的过流保护和过热保护 模块，以保证后级芯片和整个系统的安全。AS1117的参考电压电路提供稳定的 参考电平，由于采用内部的修正技术，保证输出电压精度达到1%，同时由于参 考电压经过精心的温度补偿
19、设计考虑，使得芯片的输出电压的温度，漂移系数小 于 100ppm/CoAS1117最大能提供1A以上电流，因此当电路工作在大电流，高输入输出电 压差情况下时，芯片自身所消耗功耗将达到几瓦的数量级，此时必须考虑芯片的 热耗散能力。AS1117的SOT-223贴片式封装形式热阻约为20C/W （从芯片的内 部到封装基板），从封装基板和环境温度之间的热阻取决于应用AS1117的PCB板 上的铜箔面积，当铜箔面积等于5cm*5cm （正反两面）时，该热阻约为30C/W。 因此总的热阻为20C/W+30C/W。若想进一步降低热阻则需适当增加铜箔面积。V V图14 AS1117稳压电路4、各单元模块的联接
20、四、系统调试本电路制作好后，经检测无误后通电调式，先测量各部分电压+12V电压输 出为+12.01V，-12V电压输出为12.02V，+5V输出为+5V，+3.3V输出为+3.289V， 基本上满足要求。在12V输出带动7欧姆12V的电机时工作电流是500mA左右。 在测量电流检测电路时在0.2欧姆上产生的压降是0.06V经过运算放大电路后输 出1.26V的电压。系统仿真图如图16所示：图16系统仿真图五、系统功能、指标参数1、主要功能 稳定电压：当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应 速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在土 2%以内。 多种保护功能：稳压电源除了最基本的稳定
21、电压功能以外，其稳压模块 本身就具有各种保护电路如过压、欠压保护、过流保护等。2、系统指标 指标参数Input:220VOutput: 12V +5V +3.3V 测试参数方法 使用电压表的交流档测输入电压，使用电压表的直流档测 输出电压。 测试参数记录表对电压的测量结果如下表所示:理论值实际值误差值精度+ 12V+ 12.05V0.05V0.4%-12V-12.04V0.04V0.3%+5V+5.01V0.01V0.19%+3.3V+3.29V0.01V0.3%（以上参数采用Fluke 111型万用表测量）以下是对电流检测电路的测量结果见下表所示:电压电流电阻压降经运放后放大倍数5V50mA
22、0.01V0.21V215V100mA0.02V0.42V215V200mA0.04V0.84V21（以上参数采用Fluke 111型万用表测量）3、指标参数分析经过以上测量输出电压基本满足题目设计的要求。能对电路进行供电使用。六、设计总结本电路结构简单，功能齐全，性能优良，除个别指标外均达到并超过了题目 要求。参加这次比赛的同学是这次比赛的最大受益者，我们觉得通过在这段时间 里的训练，不但实际动手能力增强了许多，而且在理论上也有了更深的认识。特 别是团队的合作精神，深深体会到了合作的必要性。想想我们的作品，还存在不 少问题，在画图时没有充分考虑电路板的实际尺寸和个元件的大小和位置，在焊 接板
23、子时造成了难度，输出端子的摆放位置不是很合理，在焊接时太马虎焊错了 一些元件。但经过不断的努力在要求时间内完成了电路板的制作与设计。感觉这 次赛前电源的制作给自己总结了不少经验，受益匪浅。七、参考文献1 ：全国大学生电子设计大赛论文报告格式2 中国 IC 网 3 吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009.1.4 百度百科.5 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，2006.16 张建生.电源技术教程.北京：电子工业出版社，2007.4.八、附录：1、电路原理图1()u/10V11 |-C120.1uFL 3D1七=1N4007d4D31N40071N4007-INOUT2、电路仿真图3、PCB 图
