课程设计（论文）-多路直流稳压电源的设计.doc

武汉理工大学集成直流稳压电源 1 课课 程程 设设 计计 2010年1月20日 学学 号：号： 0120809320516 题题 目目集成直流稳压电源 学学 院院信息工程学院信息工程学院 专专 业业通信工程通信工程 班班 级级0805 姓姓 名名 指导教师指导教师刘雪东刘雪东 武汉理工大学集成直流稳压电源 2 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 通信通信 0805 指导教师：指导教师： 刘雪东刘雪东 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 题题 目目: 集成直流稳压电源 初始条件：初始条件： multisim10 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: 1.绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图。可以涉及模拟、高频、或者一 个具有完备功能的电路系统。 2.绘制相应电路原理图 3.对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形、数据）并说明是否达到设计意 图。 时间安排：时间安排： 序号序号阶段内容阶段内容时间时间 1安排任务第 20 周 2电路选择与绘制第 20 周 3撰写报告第 20 周 4答辩第 21 周 合 计2 周 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 武汉理工大学集成直流稳压电源 3 集成直流稳压电源集成直流稳压电源 目目 录录 摘要 4 一绪论 6 二多路直流稳压电源的设计 6 2.1 设计目的 6 2.2 设计任务及要求 6 2.3 设计步骤 7 2.4 总体设计思路和总体电路图 7 2.4.1 直流稳压电源设计思路 7 2.4.2 直流稳压电源原理 8 2.4.3 总体电路图 8 2.5 单元电路设计与原理说明 8 2.5.1 电源变压器 8 2.5.2 整流电路 8 2.5.3 滤波电路 9 2.5.4 稳压电路 10 2.5.5 元器件选择和电路参数说明 12 2.6 电路仿真13 2.6.1 测试要求 15 2.6.2 测试结果和计算结果分析 15 2.6.3 电路的误差分析与改进 16 三注意事项 16 四综合总结与体会16 参考文献与资料 16 附录 abc18 武汉理工大学集成直流稳压电源 4 摘摘 要要 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。本设计主要采用多路输出直流稳压构成 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， 并实现电压可在+3+9v 可调和实现固定输出电压比如 12v,+5v。 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电 力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今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。随着计算机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广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电 源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。 电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了 一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展， 满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从 80 年代才真正的发展起来的， 期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。 在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要 求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向， 是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发 展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、 数字信号处理器件的研制应用，到 90 年代，己出现了数控精度达到 0.05v 的数控电源， 功率密度达到每立方英寸 50w 的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与 控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高， 而且经常跳变，使用麻烦 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产 过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化 和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 电源采用数字控制，具有以下明显优点: 1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能 更完美。 武汉理工大学集成直流稳压电源 5 2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。 3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)， 采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 4)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过rs232接口或rs485接口或usb接 口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修 改、调试;也可以通过modem远程操作。 5)系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在 差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本 下降。 6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆 变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间 更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而 实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。 关键词：关键词：直流；稳压；变压 武汉理工大学集成直流稳压电源 6 1 1 绪论绪论 现代工业和自动化生产过程中，会涉及大量的动态检测和控制问题，其中振动和冲 击的精确测量显得尤其重要。对于振动和冲击信号的获取，最常见的是用压电加速度传 感器，它将力学的输入信号转变为电信号。但是，这个输出信号必须要做适当的处理才 能应用。因此，压电加速度传感器的后续适调电路，即电荷放大器的研究就显得非常重 要。我们用 tl081 芯片来取代传统电荷放大器所用的大量分离元件，优化了电路设计。 但是，由于 tl081 芯片需12v 的直流供电，而其它芯片需+5v 电源驱动，因此，需要 设计合适的多输出直流稳定电源。直流稳压电源一般分为线性和开关电源两类。对于单 片机数字控制的电路系统，通常采用基于 pwm 控制的开关电源；而对于放大器的模拟 控制系统，采用线性直流稳压电源则更具有优势。线性直流稳压电源具有稳压和滤波的 双重作用，产生的干扰很小，随着集成电路技术的发展，较高输出电流和数值可调的集 成稳压器相继出现，由此而构成的线性直流稳压电源结构简单，维修方便，功率 200w 以下时，整机的体积也不大。一般来讲，线性直流稳压电源的纹波抑制比，电压调整率 和噪声抑制等性能比开关直流稳压电源要好。更重要的是工作可靠，故障率低，更适合 于放大器的模拟控制系统。因此，针对电荷放大器的需要，本文提出了一种基于集成稳 压器的多输出线性直流稳压电源的设计。 2 2 多路直流稳压电源的设计多路直流稳压电源的设计 2.1 设计目的 2.1.1 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基 本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。 2.1.2 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。 2.1.3 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。 2.2、设计任务及要求 2.2.1 设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求： 武汉理工大学集成直流稳压电源 7 （1）输出电压 vo 及最大输出电流 iomax; i 档 vo=12 v 对称输出，iomax=100ma; ii 档 vo=+5v, iomax=300ma; iii 档 vo=（+3+9）v 连续可调，iomax=200ma （2）纹波电压：vop-p5ma; （3）稳压系数：sv0.005； 2.2.2 设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电 路图。 （1）自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指 导教师审核。 （2）批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。 2.3 设计步骤 （1）电路图设计 确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流 稳压电源方框图。 系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。 参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。 总电路图：连接各模块电路。 （2）电路安装、调试 提高学生的动手能力，学生自行设计印刷电路板。 在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规 定的指标。 重点测试稳压电路的稳压系数。 将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。 2.4、总体设计思路和总体电路图 2.4.1直流稳压电源设计思路 （1）电网供电电压交流 220v(有效值)50hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变 压器将电网电压降低获得所需要交流电压。 （2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大） 。 （3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉， 保留其直流成份。 武汉理工大学集成直流稳压电源 8 （4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流 电压输出，供给负载 rl。 2.4.2直流稳压电源原理 直流稳压电源是一种将 220v 工频交流电转换成稳压输出的直 流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图 1。 图 1 直流稳压电源方框图 其中： （1）电源变压器：是降压变压器，它将电网 220v 交流电压变换成符合需要的交流电压， 并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。 （2）整流电路：利用单向导电元件，把 50hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电 （3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较 平滑的直流电压。 （4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的 变化而变化。 2.4.3 总体电路图 见附录 a 2.5、单元电路设计与原理说明 2.5.1电源变压器 电源变压器是将交流电网 220v 的电压变为所需要的电压值，并送给整流电路，变压器 武汉理工大学集成直流稳压电源 9 的变比由变压器的副边电压确定。 2.5.2整流电路 整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图 2 所示。在 u2 的正半周内，二极 管 d1、d2 导通，d3、d4 截止；u2 的负半周内，d3、d4 导通，d1、d2 截止。正负 半周内部都有电流流过的负载电阻 rl，且方向是一致的。电路的输出波形如图所示 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电 流等于输出电流的平均值的一半 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (u2 是 变压器副边电压有效值)。 武汉理工大学集成直流稳压电源 10 2.5.3 滤波电路 滤波电路选用一个 1600 f 的大容量电解电容 c12 和一个 0.01 f 的小容量电容 c13 并联滤波，如图 3 所示。理论上，在同一频率下容量大的电容其容抗 小，这样一大一小电容相并联后其容量小的电容 c13 不起作用。但是，由于大容量的电 容器存在感抗特性，等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低 频时的阻抗，小电容的容量小，在制造时可以克服电感特性，几乎不存在电感。在大电 容 c12 上并联一个小电容 c13 可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时， 小电容不工作（容抗大相当于开路） 。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频 率比较高时（输入信号的高频干扰成分） ，大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频 干扰成分通过小电容流到地线，滤除各种高频干扰成分。电路的输出波形如图 3 所示 图 3 2.5.4、稳压电路 （1）稳压电路选用三端集成直流稳压器，其电路连接方式一般如图 4 所示。 性能上，常用的集成稳压器有三端固定式、三端可调式和开关式。以三端固定式为例， 其正输出为 7800（后两位代表输出的额定稳压值，00 是统称）系列，负输出为 7900 系 武汉理工大学集成直流稳压电源 11 列，常见的有 05、06、08、09、12、15、18、24 八种。一般要求最小的输入、输出电压 差（ui-u0）为 2 v 3 v；输出稳压的容差约为 5%；最大输出电流 iomax 有 0.1 a （如 78l12） ，0.3 a（如 78m12）和 1.5 a（如 7812）等多种，部分器件的最大输出电流可达 2.2 a；其最大输入电压 uimax 一般是 7818 档以下为 35 v，7824 档为 40 v；电压调整率 su 一般为 0.01%/v；输出电阻 r0 小于 0.1；纹波抑制比 svp 一般为 50db；温度系数 st 一般为每度 1mv 2.4 mv。图 4 中，引脚 1 为电压变换的输入端，引脚 2 为电压变换 后的输出端，引脚 3 为接地端。电容 ci 作用是改善纹波和抑制输入的过电压，一般取值 为 0.33 f。c0 作用是改善负载的顺态响应，一般可选取 0.1 f 的电容，当采用大容量 的电解电容时效果更好。稳压电源的输入输出端要跨接一个二极管，以防止集成稳 8 压 器输出调整管损坏。 （2 2）稳压电路的设计）稳压电路的设计 本设计是把几个供电模块集成到一个供电电源上，能够同时提供固定输出+5 v （最大输 出电流 0.3 a） 和固定输出12 v （最大输出电流 0.1 a）的直流电输出，此外，还有一 路+3 v 到+9 v（最大输出电流 0.2a）连续可调的电压输出。 （1）输出+5 v：核心器件选用 78m05 三端集成稳压器，其输出电压为+5 v，额定电流 0.1 a。当变压器变压后输出 6.3 v 交流电，经 kbpc810 硅整流桥，整流后输出约 6 v 电压，滤波后由 78m05 三端集成稳压电源处理，输出+5 v 电压，电流最大输出为 0.3 a。 （2）输出+/-12 v：核心器件选用稳压器 78l12 和 79l12，组合应用这两个稳压器件与一 个硅整流桥相接，按图 5 好电路就能输出+/-12 v 的电压。组合用 78l12 和 79l12 时， 公共输出接地端用的是变压器输出端口的+12 v 并分别接入 78l12 的接地引脚（gnd） 和 79l12 的电压输入引脚（vin） ；硅整流桥的正、负输出端口则分别接入 78l12 的电压 输入端（vin）和 79l12 的接地端；滤波电容用了两个 1000 uf 首尾相接，连接处接公 共输出接地端。如图 5 所示。 武汉理工大学集成直流稳压电源 12 图 5 （3）输出+3v+9v，0.2a：该部分的核心器件为可调式三端集成直流稳压器 lm317 和 满量程 696 的电位器 rw。通过添加一些元件可以构成电压从+3v+9 v 连续可调直 流稳压电源。并且解决了利用固定式稳压器和电位器进行调压而引起的精度下降问题。 但是要保证其输入电压 ui 与输出电压 uo 之差小于等于 40 v。 主要电路如图 6 所示： 图 6 输出电压 uo=1.25【1+（rw+r2）/r1】v,r1 取 120，当；rw=0，r2=168 ，uo=+3 v。当 rw 满量程时，输出 uo 为+9 v。其中 c1（3300 f） ，c2（0.33 f）用来抑制高 武汉理工大学集成直流稳压电源 13 频干扰；c3 用来提高稳压器纹波抑制比，减少输出电压中的纹波电压；c4 用来克服 lm317 在深度负反馈工作下可能产生的自激振荡，还可进一步减小输出电压中的纹波分 量。d1 的作用是防止输入端短路时，电容 c4 放电而损坏稳压器；d2 的作用是防止输 出端短路时 c3 放电而损坏稳压器。 2.5.5 元器件选择和电路参数计算说明 （1）变压器的选择 确定副边电压 u2: 根据性能指标要求：uomin=3v uomax=12v 又 ui-uomax(ui-uo)min ui-uoin(ui-uo)max 其中：（ui-uo）min=3v，(ui-uo)max=40v 16vui43v 此范围中可任选：ui=14v=uo1 根据 uo1=(1.11.2)u2 可得变压的副边电压。 确定变压器副边电流 i2 io1=io 又副边电流 i2=(1.52)io1 取 io=iomax=200ma 则 i2=1.5*0.2a=0.3a 选择变压器的功率 变压器的输出功率：poi2*u2=4.8w （2）选择整流电路中的二极管 变压器的副边电压 u2=16v 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：16 桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：0.3 查手册选整流二极管 in4001，其参数为： 反向击穿电压 ubr=50v16v,最大整流电流 if=1a0.3a （3）滤波电路中滤波电容的选择 滤波电容的大小可用式 c= ui/( t*i) 求得： 求 ui: 根据稳压电路的的稳压系数的定义： 设计要求 uo5mv ，sv0.005, uo=-12v+12v, ui=16v 武汉理工大学集成直流稳压电源 14 代入上式，则可求得 ui= uo/(uo*sv); 滤波电容 c 设定 io=iomax=0.2a， t=0.01s 则可求得 c。 注意： 因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干 扰，所以稳压器的输入、输出端常 并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频 干扰。 2.6、电路仿真 运用 multisim10 软件仿真 multisim 是加拿大图像交互技术公司（interactive image technoligics 简称 iit 公司)推 出的以 windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含 了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。 multisim 提炼了 spice 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 spice 技术就可以 很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 multisim 和 虚拟仪器技术，pcb 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真 再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 目前在各高校教学中普遍使用 multisim2001，网上最为普遍的是 multisim 9，ni 于 2007 年 08 月 26 日发行 ni 系列电子电路设计软件，ni multisim v 10 作为其中一个组成部分 包含于其中。 eda 就是“electronic design automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概 念的确立，到包括电路原理、pcb 版图、单片机程序、机内结构、fpga 的构建及仿真、 外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到 pcb 钻孔图、自动贴片、 焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。eda 技术借 助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、 设计检验、设计优化和数据处理等工作。eda 已经成为集成电路、印制电路板、电子整机 系统设计的主要技术手段。美国 ni 公司（美国国家仪器公司）的 multisim 9 软件就是这 方面很好的一个工具。而且 multisim 9 计算机仿真与虚拟仪器技术（labview 8） （也是 武汉理工大学集成直流稳压电源 15 美国 ni 公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学 员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可 以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。 真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有 很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。 理论教学计算机仿真实验环节 通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 通过交互式 spice 仿真, 迅速了解电路行为 借助高级电路分析, 理解基本设计特征 通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间 ni multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路 进行设计和验证。凭借 ni multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用 工业标准 spice 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级 spice 分析和虚拟仪器，您能在 设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与 ni labview 和 signalexpress 软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据 武汉理工大学集成直流稳压电源 16 的实现建模测量。 2.6.1 测试要求 （1）测试并记录电路中各环节的输出波形。 （2）测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。 （3）测量输出电阻 ro。 （4）测量稳压系数。 用改变输入交流电压的方法，模拟 ui 的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算 出稳压系数 sv. （注意： 用调压器使 220v 交流改变10。即 ui=44v） 用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，