直流稳压电源的设计.doc

毕业设计（论文） 直流稳压电源的设计专 业 电气工程及其自动化 学 生 班 号 学 号 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学远程教育毕业设计（论文）评语姓名： 莫厚意 班号：201003 学号： 201003114720610004 专业：电气工程及其自动化 层次：高升专 学习中心： 哈工大网络教育学院 毕业设计（论文）题目： 直流稳压电源的设计 工作起止日期：2012年04 月1 日起至2012年05月29日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况、完成质量的评价意见： 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： 评阅教师签字： 评阅教师职称： 答辩委员会评语： 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语： 答辩委员会主 任（签字）： 职 称： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委 员（签字）： 年 月 日哈尔滨工业大学远程教育毕业设计（论文）任务书 姓 名：莫厚意 学习中心：哈工大网络教育学院 班 号：201003 层 次：高升专 学 号：201003114720610004 专 业：电气工程及其自动化 任务起止日期： 2012年04月1日至2012年05月29日 毕业设计（论文）题目： 直流稳压电源的设计 立题的目的和意义：随着现代科技的不断发展，各种各样的电气、电子设备已经广泛的应用于日常工作、科研、学习等各个方面。电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。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，在推动科技发展中起着重要作用。电源是各种电子、电器设备的动力，是自动化不可缺少的组成部分，几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。 技术要求与主要内容：a输出电压可调范围为1.217vb最大输出电流为1.5ac电压调整率为0.172%（输入电压220v变化范围15%20%下，）d负载调整率0.79%e纹波电压（峰-峰值）2.37mv 进度安排：2012年04月1日 04月10日确定题目、提纲起草及审阅2012年04月11日 04月25日初稿提交及审阅2012年04月26日05月10日复稿提交及审阅2012年05月11日 05月26日终稿提交及审阅同组设计者及分工：指导教师签字：_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字：_ 年 月 日哈尔滨工业大学远程教育专科毕业设计（论文）摘 要随着现代科技的不断发展，各种各样的电气、电子设备已经广泛的应用于日常工作、科研、学习等各个方面。电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。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，在推动科技发展中起着重要作用。本设计分别用lm317三端稳压芯片稳压电路，lm317三端稳压芯片稳流电路和反馈式逆变电路设计直流稳压电源，直流稳流电源和dc-dc变换器。通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。关键词： lm317；电路设计；直流稳压电源abstractwith the continuous development of modern technology, a variety of electrical and electronic equipment has been widely used in daily work, research, learning and other aspects. power as the electrical and electronic equipment components essential for energy supply, increasing demand, but also the power, stability and other indicators also put forward higher requirements. the power of research and development has become the new technology, new equipment, development of an important link in the promotion of technological development plays an important role. the design of each chip with the lm317 three-terminal voltage regulator circuit, lm317 three-terminal regulator chip steady flow circuit and the feedback inverter circuit dc power supply, the dc stabilized power supply and dc-dc converter. calculated through the knowledge of the various components of the circuit parameters to meet design requirements for the performance of the circuit voltage regulation, current regulation, load regulation, ripple voltage, and other indicators.key words: lm317; dc power supply; inverter circuit 目 录摘 要iabstractii目 录iii绪 论1第1章直流稳压电源的工作原理及应用21.1直流稳压电源工作原理21.2直流稳压电源的技术指标21.3直流稳压电源的应用4第2章直流稳压电源电路的设计方案52.1可行的直流稳压电源电路设计方案52.2可行直流稳流电源电路设计方案82.3可行的dc-dc转换电路设计方案10第3章直流稳压电源电路的选用及参数计算133.1直流稳压电源电路的选用133.2直流稳流电源电路选用133.3 dc-dc转换电路的选用143.4直流稳定电源总电路图及工作原理153.4.1稳压模块工作原理153.4.2稳流模块工作原理153.4.3 dc-dc转换器模块工作原理163. 5主要参数的选择与计算16第4章直流稳压电源电路测试184.1dc-dc转换器测试184.2稳压模块的测试19结语21致谢22参考文献23附录2425 绪 论电源是各种电子、电器设备的动力，是自动化不可缺少的组成部分，几乎所有的电子电路 都需要稳定的直流电源，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。在检定检修批示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳压的直流电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。交流电经过整流、滤波后变成直流电，虽然能够作为直流电源使用，但是，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随之波动。同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻是，就会在内阻上产生一个波动的电压降，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。负载电流小，输出电压高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。第1章直流稳压电源的工作原理及应用1.1直流稳压电源工作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，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。四个环节的工作原理如下：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、整流滤波电路：整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压u1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。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各滤波电容c满足rl-c（35）t/2，或中t为输入交流信号周期，rl为整流滤波电路的等效负载电阻。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。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有cw317（lm317）系列，它们的输出电压从1.25v37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5a。1.2直流稳压电源的技术指标直流电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（周围与随机漂移）及温度系数等。1.2.1特性指标1、输出电压范围符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。2、最大输入输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。3、最小输入输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入输出之间的电压差值。4、输出负载电流范围输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。1.2.2质量指标1、电压调整率sv电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压vi变化时直流稳压电源输出电压vo稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。2、电流调整率si电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。3、纹波抑制比sr纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。4、温度稳定性k集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度ti最大变化范围内（tmintitmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。1.2.3极限指标1、最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。2、最大输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。1.3直流稳压电源的应用直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备，常见的直流稳压电源，大都采用串联式反馈式稳压原理，通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄，使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。近几年随着科技的发展，直流稳压电源的工作频率有原来的几十千赫发展到现在的几百千，但是和西方的发达国家还是有一定的差距；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、建模分析等等方面技术领先；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。第2章直流稳压电源电路的设计方案2.1可行的直流稳压电源电路设计方案经过多方查找资料，我认为直流稳压电源电路的设计可以采用两种大思路：采用分立元件设计或采用集成稳压芯片设计。分立元件的设计方案我查找到以下几种：2.1.1由晶体管构成的稳压电路：图 2-1晶体管构成的稳压电路此电路比较简单，电压可在1.5v-15v之间连续可调,r3决定最大输出电流,因放大倍数有限,内阻比用集成电路要大,虽然增加三极管可加大放大倍数、降低内阻，但电路会变得复杂，不利于分析。而且此电路没有过流保护装置，当电流过大时容易烧坏三极管。2.1.2由运算放大器和晶体管构成的稳压电路图2-2 运算放大器和晶体管构成的稳压电路如图a、b是由运算放大器和晶体管构成的稳压电路。如图(a)是采用运算放大器的高稳定性基准电压电路，a1输出采用vdz1进行电平移动，目的是使其工作稳定。vdz2是温度补偿型稳压二极管，温度特性非常好。由于该二极管的电流恒定，因此电压变动非常小。vt1的发射极电压约为16v，因此，vdz2的电流也恒定,输出电压非常稳定。如图(b)是误差放大器采用ta7502的稳压电路。如图(b)是输出电压高于稳压二极管稳定电压的电路。为了增大输出电流，采用vt1作为射随电路，输出电流为10ma左右时；只用ta7502已足够。vt2为限流晶体管，r1为电流检测电阻，当电路输出电流超过设定值时，r1上电压降增大使vt2导通，从而限制输出电流。2.1.3分立元件制作的带限流保护可调稳压电源图 2-3 分立元件制作的带限流保护可调稳压电源p1 是用来设置限制最大输出电流，调整它可以在相应的输出电压时，给出50ma-2a的电流限制。 p2 用做输出电压调节。这里必须注意的是要求用对数型的电位器。这样输出电压的可调性和线性会更好些。 电源变压器的输出电压和容量应根据你所需要的输出电压和电流来选区。最佳的方案是：变压器次级电压为36、40、48v或带中间抽头的50、75、80v。容量为100va。 电容c1可以从2200-6800uf/35-50v之间选择。bc182 为50v/100ma/npn三极管；bd139为80v/1.5a/npn三极管；bc212为50v/100ma/pnp三极管；2n3055为60v/15a/npn三极管。 q4必需使用散热器，另外它可以由tip3055替代。2.1.4 lm317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源图 2-4 lm317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源这里的lm317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源是采用cw317为核心稳压器件的电路。lm317稳压器可以输出连续可调的直流电压，可调范围为1.2-37v，最大输出电流iomax为1.5a。稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优良等特点。本电路由三大部分组成，第一部分为电源变压器部分，第二部分为整流滤波部分，第三部分为稳压部分。电源变压器部分，通过匝数比为220:12（12-15即可）的变压器将220v的电压转成电路所需要的交流电压u2。整流滤波部分，通过整流二极管d1-d4组成单相桥式整流电路，将交流电压u2变成脉动的直流电压。再经过滤波电容c滤除波纹。第三部分为稳压部分，通过集成元件lm317对输入电压ui波动进行调节。2.1.5 lm317集成稳压芯片构成的可扩展电流的调式稳压电源图2-5 lm317集成稳压芯片构成的可扩展电流的可调式稳压电源本电路同样采用lm317稳压芯片作为稳压电源的核心部件。电路中，vt2与vt3组成的复合管，可输出扩展电流达到2a。其他部分如2.1.4中lm317集成稳压芯片构成的稳压电源。2.2可行直流稳流电源电路设计方案2.2.1开关电源式高压恒流源电路图图 2-6 开关电源式高压恒流源电路图研制仪器需要一个能在0到3兆欧姆电阻上产生1ma电流的恒流源,用uc3845结合12v蓄电池设计了一个,变压器采用彩色电视机高压包,其中l1用漆包线在原高压包磁心上绕24匝,l3借助原来高压包的一个线圈,l2借助高压包的高压部分.l3和lm393构成限压电路,限制输出电压过高,调节r10可以调节开路输出电压。2.2.2三端固定输出集成稳压器恒流源电路图 2-7 三端固定输出集成稳压器组成的输出电流可调的恒流源电路采用lm317集成三端稳压器，用12v供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用r3与rs2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。2.3可行的dc-dc转换电路设计方案2.3.1 pwm dc/dc变换器图 2-8 dc/dc变换器原理图图 2-9 dc/dc主电路原理图1mhz 电流型 pwm dc/dc变换器的原理图2-8所示。电流型控制电路以 uc3843 为核心，开关频率为1mhz；变换器采用推挽式3主电路 ；同步整流采用功率 mosfet 可控整流电路；辅助电流由电阻和12v稳压管组成(也可采用自举电路)，为 uc3843 提供+12v 电源；电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压(见图2-9中电阻r)。 uc3843 的限流和占空比控制 变压器初级电流流过取样电阻r后，在r两端产生正比于初级电流的电压，该电压经 rc 滤波加到 uc3843 的9脚，从而实现逐周限流。正常工作状态下，uc3825的9脚输入电压必须低于1v 门限电压。9脚输入电压超过1v时，脉宽将随之变窄。当9脚输入电压超过1.4v时，输出电流中断，并且 uc3843 开始软启动程序。 利用斜坡 ramp 脚(7脚)输入信号， uc3843 可以实现电流型控制或常规的占空比控制。当该脚接定时电容器时，uc3843 可以实现占空比控制。当 ramp 脚接电流取样电阻时，uc3843 可以实现电流型控制。在这种应用电路中，初级电流波形经过很小的rc滤波网络后，产生斜坡波形。rc网络的作用是斜率补偿。该输入信号的动态范围为1.3v，通常用来产生 pwm 斜率补偿。 同步整流电路 过去低电压输出的 dc/dc 开关变换器采用肖特基二级管作为同步整流管，其正向压降约为0.4 0.65v，低电压、大电流时通态功耗很大。因功率mosfet管的正向压降很小，所以用功率mosfet管作为输出的整流管。与肖特基二极管相比，用功率 mosfet 管的优点除了正向压降很小外，还有阻断电压高，反向电流小等优点。图9所示为输出全波同步整流电路。功率mosfet管vt1、vt2为两个整流管(vd1、vd2分别为vt1、vt2内部反并联二极管)。当变压器次级绕组同名端为正时，vt2、vd2同时导通，vt1、vd1阻断 ，在l1续流期间，vt1、vt2截止，vd1、vd2同时导通续流；反之，当变压器次级绕组同名端为负时，vt1、vd1同时导通，vt2、vd2阻断，在 l1续流期间，vt1、vt2截止，vd1、vd2同时导通续流。 采取此功率 mosfet 管整流电路，可以大大提高整流效率。输出+5v/20a，采取导通电阻10m的功率 mosfet 管，则导通损耗为：pon=10m(20a)2=4103mw=4w如果采取肖特基二极管整流电路，肖特基二极管的导通压降取0.6v，则导通损耗为： pon=0.6v20a=12w可见仅整流管损耗就减小8w，效率约能提高6%。 变压器的制造： 初级绕组 n2与次级绕组 n4之间具有较紧密的耦合；而初级绕组 n1到初级绕组 n2之间的耦合不很严格。 高频设计 需要特别注意外部导体和元件的布置，减小不必要的电感和电容影响。所有的导线长度必须尽可能地短。印制电路板应仔细地布置元件及其连接。功率 mosfet 管栅极的电阻应选碳成分的电阻，以降低串联电感2.3.2 dc-ac-dc转换升压电路图2-10 dc-ac-dc转换升压电路如图2-10所示，这一电路依靠q1、q2、q3组成的自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。此种电路结构简单，设计合理，且升压范围比较大，能够达到设计要求。第3章直流稳压电源电路的选用及参数计算3.1直流稳压电源电路的选用图 3-1 lm317集成稳压芯片构成的可扩展电流的可调式稳压电源图 3-1中采用lm317稳压芯片作为稳压电源的核心部件。电路中，vt2与vt3组成的复合管，可输出扩展电流达到2a。本电路由三大部分组成，第一部分为电源变压器部分，第二部分为整流滤波部分，第三部分为稳压部分。电源变压器部分，通过匝数比为220:12（12-15即可）的变压器将220v的电压转成电路所需要的交流电压u2。整流滤波部分，通过整流二极管d1-d4组成单相桥式整流电路，将交流电压u2变成脉动的直流电压。再经过滤波电容c滤除波纹。第三部分为稳压部分，通过集成元件lm317对输入电压ui波动进行调节。本电路的优点：集成芯片lm317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。集成芯片lm317制作工艺成熟，具有较好的稳压功能。输出电流可以达到2a。3.2直流稳流电源电路选用图 3-2 三端固定输出集成稳压器组成的输出电流可调的恒流源电路本电路采用lm317集成三端稳压器，用12v供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用r3与rs2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。lm317作为三端固定输出集成稳压芯片，有其优越的性能，稳压技术成熟。3.3 dc-dc转换电路的选用图3-3dc-dc转换电路如图3-3所示，这一电路依靠q1、q2、q3组成的自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。此种电路结构简单，设计合理，且升压范围比较大，能够达到设计要求。缺点在于输出的电压不稳定，有较大波动，而且交流纹波电压比较大。鉴于制作难度、电路性能、工作效率、元器件取得的难易程度等多方面考虑，我选择了此电路作为转换电路。3.4直流稳定电源总电路图及工作原理直流稳定电源总电路图如图3-4所示：图3-4直流稳定电源总电路图3.4.1稳压模块工作原理本电路的稳压电源模块采用了lm317集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将43v-15v变压器变出的15v交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电压，在经过滤波电容的调整成为一近似恒压的直流电压，最终经过lm317稳压后得到稳定的1.25v带隙电压。再依靠r1电阻固定电流，经r4与r5调整输出端的电压。达到输出稳定可调电压的要求。3.4.2稳流模块工作原理本电路的稳流电源模块采用了lm317集成稳压电源构成的可调式稳流电路，将上一级产生的12v稳定电压转换为输出端的4-20ma的稳定电流。由稳压源供电，仍然是依靠lm317的带隙电压，通过r1与r2电阻的调节控制输出端电流，实现稳定输出可调电流题目要求。3.4.3 dc-dc转换器模块工作原理同样是依靠第一级的稳定电压输出供电，依靠q1、q2、q3和r7、r8、c5构成的自激振荡电路，由上一级的直流供电产生一个交流电信号，在经过变压器升压，再度转换为直流信号输出，同时达到升压的目的。3. 5主要参数的选择与计算分压电阻的选 uo=1.25(1+rp1/r1)（公式11）根据输出电压是1.2-37v，在确定r1为240欧以后，确定rp1max为1.49千欧。选电源变压器uomax+(ui-uo)minuiuomin+(ui-uo)max（公式12） 9v+3vui3v+40v （公式13） 12vui43v （公式14） u2uimin/1.1=11v （公式15）取i2iomax =0.8a 取i2=1a 变压器副边输出功率 p2i2u2=11.1w （公式16）为留有余地，选择20w的变压器 选整流二极管 。整流二极管vd1-vd4选1n4001，其极限参数为urm50v，而1.4u2=15.4v，则urm满足要求。if=1a，而iomax=0.8a,则if亦满足要求。 （公式17）式中，uo=9v, ui=12v, uop-p=5mv,sv=310-3 （公式18）ui=uop-pui/uosv=2.2v （公式19） （公式110）电容c的耐压应大于。故取2只的电容相并联。输出直流电压uo = 15（v）的要求，由式(5-6)稳定电压 uz=uo=15(v) （公式111）由输出电压vo = 15（v）及最小负载电阻rl = 3k的要求,负载电流最大值 iomax=uo/rl=15/3=5ma （公式112）由式(1-12)计算 izmax=3iomax=15ma （公式113）查半导体器件手册，选择稳压管2cw20，其稳定电压uz = (13.517) (v)，稳定电流iz=5ma,izmax=15ma。第4章直流稳压电源电路测试4.1dc-dc转换器测试用示波器进行检验，当升压之后，电压值达到了400v左右，远远超过题目要求的100v的直流电压，从这个角度看似乎是超额完成了任务，但仔细分析之后发现，电压升至400v左右后并不能稳定的停留在某一定值上，而是不停地小幅变动。并且由于电容的选择导致时间常数过大，需要较长时间才能达到较稳定的值，证明这一设计不够稳定，容易收到干扰，并没有达到题目的要求。应想办法改变这一模块的设计。图 4-1 dc-dc转换器图针对2dc-dc转换器模块存在的问题，我对电路作了如下调整：在输出端的两边串联两个电阻，阻值分别为1m欧和3m欧，再将一10nf的瓷片电容与1m欧电阻并联，并以瓷片电容的两端作为电压的最终输出端。再次测试后得到如下图4-2所示结果。图 4-2 dc-dc转换器图（改进后）4.2稳压模块的测试如图4-3所示，稳压电源 在输入电压220v、50hz、电压变化范围15%20%条件下：图4-3 稳压模块测试结果如下：通电测试，稳压电源在输入电压220v、50hz、电压变化范围15%20%条件下的测试结果如下：a输出电压可调范围为1.2217.48vb最大输出电流为1.537ac电压调整率为0.172%（输入电压220v变化范围15%20%下，）d负载调整率0.79%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）2.37mv（最低输入电压下，满载）f效率43.36%（输出电压9v、输入电压220v下，满载）由以上数据