本科毕业论文±5v连续可调稳压电源

本科毕业论文（设计）题目5V连续可调稳压电源学生姓名学号指导教师院系信息科学与技术学院专业电子科学与技术年级教务处制成绩诚信声明本人郑重声明本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。特此声明。论文作者签名日期年月日摘要当前电子线路实验室采用的QJ3003系列可调式直流稳压电源（DCREGULATEATEOPOWERSURRPLY）是双路输出030V的稳压电源，但在实验教学中经常需要一个过零的正负连续可调信号源，比如过零比较器实验。对此，提出一个5V连续可调稳压电源设计方案。本方案按照线性串联式直流稳压电源的思路，整个系统采用模块化设计，分为四大模块基础电源模块、5V连续可调模块、电路短路（过流）保护模块和LED数显模块。每个模块也可以独立的用到其他电路中，这就加强了模块使用的拓展性。主体电路采用OP07CP芯片，显示电路采用专用芯片ICL7107。电路原理主要涉及运算放大电路、电压跟随器、电压窗口比较器、串联双重稳压电路以及互补功率放大（OCL）电路。经过调试本电路的各种技术参数符合要求,过零点漂移小,电压稳定性好,可拓展性好。关键词AC/DC电源模块、串联直流稳压、电压跟随、互补功放ABSTARACTCURRENTLYUSEDINELECTRONICCIRCUITSLABORATORYQJ3003SERIESADJUSTABLEDCPOWERSUPPLYDCREGULATEATEOPOWERSURRPLYISADUALOUTPUTOF030VREGULATEDPOWERSUPPLY,BUTOFTENTHENEEDFOREXPERIMENTALTEACHINGOFACONTINUOUSLYADJUSTABLEPLUSORMINUSZEROSIGNALSOURCE,SUCHASZEROCROSSINGCOMPARATOREXPERIMENTWEPROCEEDFROMTHEACTUALUSEMAKEOFACONTINUOUSLYADJUSTABLE5VSIGNALSOURCEVOLTAGEREGULATORDESIGNTHEPROGRAMINACCORDANCEWITHTHELINEARDCPOWERSUPPLYSERIESOFIDEAS,THEWHOLESYSTEMISMODULARDESIGN,ISDIVIDEDINTOFOURMODULESTHEBASISOFPOWERSUPPLYMODULE,5VCONTINUOUSLYADJUSTABLEMODULE,ASHORTCIRCUITOVERCURRENTPROTECTIONMODULEANDLEDDIGITALDISPLAYMODULEEACHMODULECANALSOBEUSEDINDEPENDENTOFOTHERCIRCUITS,WHICHHASSTRENGTHENEDTHEUSEOFTHEEXPANSIONMODULEOP07CPTHEMAINCIRCUITCHIP,SHOWINGTHEUSEOFADEDICATEDCHIPCIRCUITICL7107CIRCUITTHEORYRELATESTOANARITHMETICMAINLYENLARGECIRCUITVOLTAGE,FOLLOWIMPLEMENT,VOLTAGEWINDOWCOMPARATOR,INLINEDOUBLESTABILIVOLTCIRCUITANDCOMPLEMENTARYPOWERAMPLIFICATIONOCLCIRCUITAFTERCOMMISSIONING,THEVARIOUSTECHNICALPARAMETERSOFTHECIRCUITMEETSTHEREQUIREMENTS,HAVEASMALLZERODRIFT,VOLTAGESTABILITY,ANDGOODSCALABILITYKEYWORDSAC/DCPOWERMODULESDCSERIESVOLTAGETOFOLLOWCOMPLEMENTARYPOWERAMPLIFIER目录前言1设计概述3第一章基础电源模块511设计方案的论证512设计方案的选择10第二章5V连续可调模块1121OP07芯片资料11211OP07特点11212OP07封装形式及内部电路图11225V连续可调电路12221设计思路12222电路原理分析1323电压过零点分析14231抑制纹波的措施14232抑制纹波电路1524电压输出隔离电路1625电流输出放大电路1626模块整体设计17第三章短路（过流）保护模块1931设计方案1932过流保护方案中的问题及对策2033电压窗口比较器原理分析21第四章LED数显模块2341设计方案2342LED数显电路24设计总结25致谢29参考文献31前言现代科学技术的飞速发展，电子设备产品早已遍及日常生活、工作、科研、医学、航空航天和军事等各个领域，现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作。随着电子产品的功能不断的强大，对直流稳压电源的性能要求越来越高，所以对直流稳压电源技术的研究有着深远的意义。以美国为首的几个发达国家在这方面的研究已经转向高频下电源的拓扑理论、工作原理、建模分析方法和高频大功率开关器件，高性能集成控制器和功率模块的开发研制方面发展。我国在此方面的起步较晚，1973年才开始这方面的研究工作，现在主要在小功率单端变换器方面发展较为迅速。在功率半导体器件及控制集成化方面，与国外同类产品有这很大的差距。因此，直流稳压电源的研制及应用在此方面与之也存在很大的差距。直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类1。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源。当前电子线路实验室采用的QJ3003系列可调式直流稳压电源（DCREGULATEATEOPOWERSURRPLY）是双路输出030V的稳压电源，但实验教学中经常会用到负电压，比如过零比较器实验,没有正负可调的直流信号源。对此，提出一个5V连续可调稳压电源设计方案。本方案采用线性串联式直流稳压源的思路，整个电路采用模块化设计。经过调试本电路的各种技术参数符合要求,过零点漂移小,电压稳定性好,可拓展性好。设计概述一、电源主要技术参数输入市电电压220V10，50HZ2输出5V5V连续可调电压四位LED显示连续可调电压过流（短路）保护功能过零点电压的稳定二、电源性能评定标准简介为了衡量一个电源的稳定度，国际电工委员会（IEC）在制定稳定电源标准时引出源效应和负载效应的概念源效应对于与一个稳压电源，在负载保持不变的情况下，由于输入电压变化而引起输出电压稳定量变化的效应。我国国家标准规定，当输入电压变化10时，输出电压变化的相对百分比就是源效应。假设VOUT是输出电压的标准值，V是输出电压的实际值源效应计算公式CVVOUT/VOUTVVOUT/VOUT负载效应对于一个稳压电源，在输入电压保持标准值的情况下，由于负载变化而引起输出电压稳定量变化的效应。假设电源空载时输出电压为VOUT，电源加满载时（电源达到最大负载能力）输出电压为VF负载效应计算公式CVVOUT/VOUTVFVOUT/VOUT三、设计思路本课题如果按照开关电源思路去设计，虽然性能优越，但是电路复杂度无法估计，设计周期较长，而且设计的经费比较大，所以我们从线性稳压电源基本原理出发，设计一个满足实验室能正常使用的简易、方便、小体积的稳压信号源。直流可调稳压源的核心部分是可调稳压电路。市电接入到基础电源部分，为后续电路提供基本工作的直流电压，再经过可调稳压电路实现正负电压连续可调，在这里有两个难点一是正负电压之间实现连续可调；二是零伏附近的纹波电压的抑制，以保证零伏附近的稳定输出。由于采用OP07运算放大器来实现电压可调，其最大输出电流只有50MA，所以还得设计一个功率放大器，实现电流的放大。因此，本课题设计的电压源由四个基本模块组成，具体包括基础模块，5V5V连续可调模块、输出短路（过流）保护模块和LED数字显示模块。电路结构框图见图1图1电路结构框图第一章基础电源模块基础电源模块主要目的是将市电（220V10，50HZ2）转变为稳定直流电压，为后续电路及芯片提供工作电压。11设计方案的论证方案一采用电源变压器、整流滤波电路基础模块原理框图见图11图11基础模块原理框图基础电源模块原理图见图12图12基础电源模块原理图电路原理分析电容1N40074的作用一是滤除高频噪声；二是前级滤波作用。只用1N40074滤波后的电压还是有很大的交流成分，不能达到大部分芯片工作的需要，为了减少电压的波动，所以我们还再加一个低通滤波电路，使输出为平滑直流电压。常见的滤波电路电容滤波、RC型滤波、LC滤波以及LC型滤波。由于电容滤波适用于负载电流比较小，且变化不大的场合。综合考虑，我们采用最常见的电容滤波电路。2,3使用滤波电容时注意的问题电容滤波是通过充放电特性实现，放电时间越长，输出电压越高，滤波效果也越高，所以一般采用容量比较大的电容，实际使用时候采用电解电容。大容量的电解电容体积一般较大，要注意布局设计，不能放在温度较高的地方，否则可能发生爆炸。电解电容有正负极性，不能接反，否则可能发生爆炸。基础模块输出电压波形见图13图13基础模块输出电压波形方案二采用专用集成芯片A采用HV2405芯片HV2405是一种能产生524V、50MA稳定的直流电压的单片开关电源芯片。它只需极少的外围元件，就可代替一个变压器，一个整流器和一个稳压器。这种芯片采用HARRIS的最新高压介质隔离工艺制造可使开关电路仅从交流端吸收负载所需的电流，为小功率负载供电。由HV2405组成的交流市电供电的低压直流稳压电源见图14图14HV2405组成的直流稳压电源工作过程1、首先预调整单元将一个大电容C2通过芯片内电子开关接到交流端。将其充到输出电压为6V的电平然后开关关断，C2上电平保持，直到下一个循环开始；2、C2上的电荷通过调整稳压单元向负载提供直流电流。为保证连续供电，大电容C2每个周期都要刷新一次。工作条件1、输入电压交流100260V；2、输入频率48440HZ。输出电压设置见表11表11HV2405组成的直流电源输出电压设置参数注FU一般为05A；C2、C3耐压应比输出电压高10V。B采用MAX610系列ACDC芯片MAX610系列是一种单片小功率交流直流变换器，具有如下特点标准输出电压为5V02V；静态电流为75A；有过流保护；有过压欠压检测标志；有掉电复位功能，并且延迟时间可调；输出电压可调，范围在1315V之间。VOUT5V6V8V12V14V16V18V19V20V22VR2（KOHM）01357911131517MAX610系列ACDC芯片构成的小功率无变压器稳压电源见图15图15MAX610系列ACDC芯片构成的小功率无变压器稳压电源图A为电压可调电源。图B为电流扩展式电源。图C为芯片封装及原理图C采用PS05005电源变换模块PS05005是由美国马克希姆公司推出的25W超小型、高效率ACDC电源变换模块。它不用电源变压器，只需外部整流、滤波器就能接220V交流市电。产生5V、500MA的直流输出4。其封装为DIP40，但只有8个引出端子见图16（B）PS05005电源变换模块组成的电源见图16（A）图16PS05005电源变换模块组成的电源及其封装方案三采用专用电源模块目前市场上有专用AC/DC电源模块，这里选用MORNSUN公司的LH0510C051201AC/DC电源模块。工作参数见表12表12LH0510C051201AC/DC电源模块参数表LH0510C051201AC/DC电源模块具有电压范围宽、交直流两用，高效率，高可靠性，低功耗，安全隔离，高功率密度，输出过压保护等优点。工作温度2070输入电压85264VAC/120370VDC输出电压5VDC过流保护115IO尺寸48536205（MM）电压调节率05输出纹波/噪声50MV电压精度2隔离电压3000VAC负载调节率1（单路）输出电压（VO1/IO1）5V/600MA输出电压（VO2/IO2）12V/100MA主3效率76负载调整率副512345678管脚接口地ACNACLVO1VO1VO2COMVO2注根据设计需求的最大输出电流来选择相应的模块型号，这里以LH0510C051201AC/DC电源模块为例电源模块模型见图17图17电源模块模型12设计方案的选择以上三大种类方案综合考虑方案一设计思路比较简单，但是需要庞大的变压器，滤波电容的体积也相当大，转换效率低，抗干扰能力，还要安装很大的散热片。整个系统庞大。价格成本高。方案二用专用芯片，设计的电路相对比较简单，芯片中包含变压器功能，所以这部分电路可以做的比较小。但是这些专用芯片市场购买比较困难，大部分只能通过网购，由于购买的数量比较少，价格偏高，再加上邮费，成本就更大了。方案三采用专用电源模块。其相关参数完全符合输入输出电路要求，只要做一些配套外围接线设施，着重考虑安全性5。没有了变压器，系统体积可以减少许多。采用方案三整体电路比较小、性能优越性大，而总成本和前两种方案差不多，另外电源模块也可以供给其他电路电路使用，拓展性强，所以这里我们采用方案三。工作电路见图18图18电源模块工作电路注后续工作电路中统一表示U15V，U212V，U312V。第二章5V连续可调模块本课题主要采用实验室里常见的OP07芯片，实现5V连续可调模块，是整个系统的核心模块。这部分模块主要实现的功能电压正负之间连续可调；纹波电压的抑制；过零点电压的稳定；优越的隔离性能。21OP07芯片资料211OP07特点1低的输入噪声电压幅度035VPP01HZ10HZ2极低的输入失调电压10V3极低的输入失调电压温漂02V/4具有长期的稳定性02V/MO5低的输入偏置电流1NA6高的共模抑制比126DB7宽的共模输入电压范围14V8宽的电源电压范围3V22V9可替代725、108A、741、AD510等电路OP07具有极低的输入失调电压、失调电压温漂和输入噪声电压幅度及长期稳定等特点，可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。212OP07封装形式及内部电路图有T8线、D8线，实验室里常用的是D8线。OP07引脚图（管脚向下）见图21图21OP07引脚图OP07内部电路见图22图22OP07内部电路225V连续可调电路221设计思路由于前级电路提供了一个5V稳定电压，要实现5V5V连续可调功能，此时我们只需要用OP07运算放大器来设计一个增益可调的放大电路，在这里AU（增益）在11之间连续变化，即可满足要求。5V连续可调电路见图23图235V连续可调电路222电路原理分析U45VU505V（由电位器R4来调节）U6、U4和U5三者关系2145631FUR令时，2264552而50U所以6U而公式（21）成立的条件满足（23）而3FR所以2103RF321/RRF05215V连续可调电路输出波形见图24图245V连续可调电路输出波形通过控制电位器R4来实现电压5V5V连续可调，由图24中斜线部分可以看出电压是线性变化的。因此通过此电路设计完全能够实现电压5V5V连续可调功能。在实际电路中，一般把电压控制在55V55V连续可调68。所以选取,3210FR120,1R23电压过零点分析输出纹波主要来源于五个方面输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声。如果电源的纹波电压过大，当电压100MV100MV范围内过零点附近时，这一问题的影响就会变得很大，如果不考虑，在零点附近电压值会出现跳动。这一问题称之为过零点线性失调。231抑制纹波的措施低频纹波的抑制低频纹波抑制的几种常用的方法1加大输出低频滤波的电感,电容参数,使低频纹波降低到所需的指标。2采用前馈控制方法,降低低频纹波分量。高频纹波的抑制高频纹波抑制的目的是给高频纹波提供通路,常用的方法有以下几种1提高电源工作频率,以提高高频纹波频率,有利于抑制输出高频纹波。2加大输出高频滤波器,可以抑制输出高频纹波。3采用多级滤波。共模纹波噪声的抑制减小输出共模纹波嗓声的常用方法1输出采用专门设计的EMI滤波器2降低开关毛刺幅度闭环调节器参数不适当引起的纹波抑制在直流电源中,往往因调节器参数选择不适当会引起输出纹波的增大,这部分纹波可通过以下方法进行抑制。1在调节器输出增加对地的补偿网络,调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹波增大。2开环放大倍数过大有时会引起调节器的振荡或自激,使输出纹彼含量增加,过小的开环放大倍数使输出电压稳定性变差及纹波含量增加,所以调节器的开环放大倍数及闭环调节器参数要合理选取,调试中要根据负载状况进行调节。3在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节,使延时滞后降到最小,以增加闭环调节的快速性和及时性,对抑制输出电压纹波是有益的9。232抑制纹波电路本课题是采用LH0510C051201电源模块，输出纹波电压在100MV范围内了，我们可以用串联双重稳压电路见图25图25串联双重稳压电路主要是采用两个稳压管LM337串联进行双重稳压。C1输入滤波电容，改善纹波和抑制输入的过电压及高频干扰，防止可能产生的自激。C2仍是一个滤波电容，用于改善负载的瞬态响应。经实际调试后，该电路设计能够达到设计要求，电压在零点附近能够稳定。经实际调试后，该电路设计能够达到本次设计的要求，在电压零点附近达到稳定1014。24电压输出隔离电路采用单个集成运放，如果接入负载过小，会引起输出电压下降，输出与负载不匹配。所以我们还设计一个电路以提高系统的隔离性，增强接负载能力。在这里我们可以采用最简单的一个设计电压跟随器15见图26图26电压跟随器同向比例运算器中，将输出电压全部反馈到反向输入端，电路引入了串联负反馈，反馈系数为1，所以有以下关系式87NPU（24）在理想运放条件下，输出电阻为零，所以电路输出为恒压源，具有优越的隔离性能，能够满足本课题的需求。25电流输出放大电路由于OP07芯片是小功率型的运算放大器，输出电流在50MA左右，对于稳压电源来说这个输出电流太小了，所以我们必须在输出端后面设计放大电流的辅助电路。功率放大电路能够向负载提供足够信号功率的放大电路，简称功放16。从能量控制和转换的角度看，功放电路和其他放大电路本质上没有区别。但是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率，因此从功放电路的组成和分析方法，到元器件的选择，都与小信号放大电路有明显的区别。常见的功率放大电路1、变压器耦合放大电路2、无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）3、无输出电容的功率放大电路（OCL电路）4、桥式推免功率放大电路。其中OTL电路和OCL电路目前应用最广泛。在这里我们采用比较常用OCL电路，见图27OCL电路分析设晶体管BE间开启电压忽律不计。U80V时，Q1和Q2均截止，U90V；U80V时，Q1导通，Q2截止，U2供电；U8URH时，UB3UOM，UB2UOM,二极管D3导通，D1截止，稳压管D2工作在稳定状态，UOUZUIURL时，UB3UOM，UB2UOM，二极管D3截止，D1导通，稳压管D2工作在稳定状态,UOUZ图36电压窗口比较器传输特性曲线URLUIURH时，UB3UB2UOM，二极管D1、D3都截止，稳压管D2也截止，UO019第四章LED数显模块41设计方案课题中要求系统能够用LED显示5V5V连续可调电压，这个模块的主要功能其实是一个数字电压表，设计的主要困难负电压时，显示负号；正电压时，负号不显示。集成芯片ICL7107可以解决这个问题。ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含三位半A/D转换器、段驱动器、位驱动器，内部设有参考电压，可直接驱动LED数码管，具有独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。ICL7107管脚见图41图41ICL7107管脚注意事项1、26管脚必须接入负电压（3V15V）不能接地或正压，否则芯片会损坏，不能正常工作。2、1管脚接入5V供电。36管脚接入基准电压。3、21管脚是芯片的电源地，32管脚是模拟地，30管脚是信号地，35管脚是基准地。4、37管脚是测试管脚，高电平是工作。42LED数显电路ICL7107工作电路见图42图42ICL7107工作电路其中C101UFC2047UFC3022UFC4100PFC5002UFR1240KR247KR3100KR41KR51M此电路的电压显示范围100MV100MV。由于本课题要显示5V5V电压，超过了其显示范围，这里采用T型网络电阻分压，把要显示的电压降为1/100，当显示电压变为50MV50MV时，就可正常显示了20。10V显示电路见图43图4310V显示电路此时U10在5V5V之间，完全可以正常显示。设计总结技术参数输入电压220V10，50HZ2输出电压530V510V输出电流500MA纹波电压（峰峰值）3MV源效应CV05负载效应CV见表1表2表1RL12时负载效应CVUOUT508V404V302V202V109VUOUT1479V385V287V193V104VCV571470497446459UOUT503V408V293V205V103VUOUT1473V386V277V194V097VCV596539546537583UOUT空载电压，UOUT1表负载RL12时输出电压表2RL42时负载效应CVUOUT508V402V301V203V103VUOUT1500V395V296V199V101VCV157174166197195UOUT505V401V303V202V105VUOUT1498V394V297V198V103VCV139174198198191UOUT空载电压，UOUT1表负载RL42时输出电压拓展性分析由于本系统设计时,主要采用OP07运算放大器,其接负载能力不是很强,加了电压跟随器,提高了电路的输出阻抗,从负载效应CV上来看,还需要加以提高。此外本系统具有小体积，高稳定性，成本低等优点，经过产品封装后可做为一种简易信号源广泛使用。设计时采用模块的思路，所以四大模块可以独立运用到其他电路中。比如LED数显电路模块就可以做为简易的10V数字电压表，其量程仅需对T型分压电路稍加改动就可以实现更大的电压值的测量显示。所以本系统具有很高的使用拓展性。全电路原理图见图2图2全电路原理图硬件实物图见图3图3硬件实物图致谢这次毕业设计,丰富了自己的理论知识,并将所学的理论知识与实际设计相结合,切实的提高了自己的实践能力。在这次毕业设计过程中,我获得了许多老师的支持，感谢他们对我的帮助，首先我要感谢我的指导老师宋竹霞老师，感谢她对我毕业设计给予的帮助，并在设计中对我严格要求和耐心指导。同时也感谢邓周虎老师和张远老师给我提供器件支持和帮助。感谢我的专业老师，正是在你们的课堂上，我才