5v稳压电源设计论文(宜宾学院电子工业实训)

电子工艺实训电子工艺实训 5V5V 直流稳压电源设计报告直流稳压电源设计报告 学校学校：宜宾学院物理与电子工程学院宜宾学院物理与电子工程学院 班级：班级：20112011 级硕勋励志班级硕勋励志班 姓名：姓名：* 学号：学号：* 指导老师：张桐指导老师：张桐 设计时间设计时间：2012.11.22012.11.22012.11.132012.11.13 摘摘要要 直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。直流 稳压电源高频化是其发展的方向， 高频化使电源小型化， 并使直流稳压电源进入更广泛的应 用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要 以稳压器电路为电源的主电路，设计一台品质优良的直流稳压电源。 直流稳压器中所使用的大功率器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,稳压器的负 载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。 晶体管和集成器件耐受电、 热 冲击的能力较差。 因而稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。 保护电路的种类很 多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等 电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。直流高压稳压电源的长期稳 定性主要受温度的影响， 文中分析了直流高压稳压电源的构成原理， 建立了温度稳定性的数 学模型，给出了精确和可行的定量计算方法，并应用到具体的实例中加以验证，说明了该模 型的应用价值，对直流高压稳压电源的设计具有理论指导作用。 关键词：关键词：稳压器半桥变换电路数学模型应用价值 目录 第一章直流稳压器原理.1 第二章直流稳压电源简介.6 2.1 直流稳压电源的构成 .6 2.2 直流稳压电源的分类 .6 2.3 直流稳压电源的技术指标. 6 第三章直流稳压电源的设计.8 3.1 设计目的及要求.8 3.2 设计步骤及思路. 8 3.2.1 直流稳压电源设计思路.8 3.2.2 直流稳压电源原理 .9 3.2.3 总体电路图.9 3.3 单元电路设计与原理说明.9 3.3.1 电源变压器.10 3.3.2 整流电路.9 3.3.3 滤波电路.10 3.3.4 稳压电路.10 3.3.5 元器件选择和电路参数计算说明.12 3.4 电路板的设计.13 第四章 电路仿真15 4.1 测试要求 .15 4.2 测试结果和计算结果分析15 4.3 电路的误差分析与改进17 第五章 设计体会 .19 5.1 注意事项 .19 5.2 设计体会19 4 第一章第一章 直流稳压器原理直流稳压器原理 直流稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错, 将损坏稳压电源。 极性保护的目的,就是使稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工 作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图 1 所示。由于二 极管 D 要流过稳压器的输入总电流,因这种电路应用在小功率的稳压器上比较合适。 在较大功率的 场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗 也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否。 一、 极性保护直流稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。 由于操作失误或者意外情况会将 其极性接错,将损坏稳压电源。 极性保护的目的,就是使稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电 源时才能工作。 利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。 简单的极性保护电路如图 1 所示。 由于二极管 D 要流过稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的稳压器上比较合适。 在较 大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二 极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否,在图 1 中的二极管之后,接指示灯。 二、 程序保护稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的稳压部 分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放 大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。稳压器的输入端一般接有小电感、 大电容的输入滤波器在开机瞬间,滤波电容器会流过。 很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输 入电流的数倍。 这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝 熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,近年来，随着微机、中小型计算机的普及和 航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的 需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸 如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。 直流稳压电源有着很多方面的优点,所以对它的研究有着重要的意义,这不仅是对自己所学知 识的总结，而且对自己以后从事电力方面的工作有着很大的帮助作用。 稳压电源原理图如图 1.1 所示。其中，核心元件是 LM337，LM317,7805,7905。LM337，LM317 是大电流可调稳压集成电路，7805,7905 是稳定输出正负五伏的稳压集成电路。LM337，LM317 集 成电路在采用一般接法时，其输出电压范围是 1237V。 5 图 1.1 稳压电源主电路 LM337， LM317 在内部设有 1 2V 的基准电压， 而输出电压要比调整端电压高， 这样就使 LM337， LM317 的输出电压最低只能是 12V。 如果稳压集成电路的输入端接入较高的电压， 而输出端恰好是空载， 此时开机， LM337， LM317 很容易由于过电压而在瞬间损坏。为了解决这个问题，在 LM337，LM317 的输入端加入了由 D2 组 成的输入电压限制电路，从而避免了因过电压损坏集成电路。 在图 1.1 中， D1， D5， D9， D12 主要是用来保护 LM337， LM317,7805,7905 不被击穿， 选用 IN4007， 也可以用稳压管代替。 D1D4 使用参数大于 6A 耐压 100V 的整流二极管或全桥。电源变压器 T 的功率要大于 300V。稳压集成电路的型号 LM337，LM317,7805,7905， 图 1.2 管脚分布 6 第二章第二章 直流稳压电源简介直流稳压电源简介 2.1直流稳压电源的构成直流稳压电源的构成 许多电子产品如电视机、电子计算机、音响设备等都需要直流电源，电子仪器也需要直流电 源，实验室更需要独立的直流电源。为了提高电子设备的精度及稳定性，在直流电源中还要加入 稳压电路，因此称为直流稳压电源。典型的直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电 路和稳压电路等几部分构成。 电源变压器把 50Hz 的交流电网电压变成所需要的交流电压； 整流电 路用来将交流电变换为单向脉动直流电； 滤波电路用来滤除整流后单向脉动电流中的交流成分 （即 波纹电压） ，是指成为平滑的直流电；稳压电路的作用是当输入交流电网电压波动、负载及温度变 化时，维持输出直流电压的稳定。 2.2直流稳压电源的分类直流稳压电源的分类 直流稳压电源的发展已有几十年的历史， 已从分立器件发展到集成电路。 集成稳压电路具有 体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，随着功率集成电路的发展，集成稳压电路已有多个品 种、多种型号问世，按输出电压、输出电流形成系列产品，已成为直流稳压电源的主流产品，特 别适用于小型电子设备使用。 目前生产直流稳压电源种类很多，可以从不同的角度分类： 1、按稳定方式分，有参数型稳压器和反馈调整型稳压器。参数型稳压器电路简单，主要是利 用电子组件的非线性实现稳压，例如，1 只电阻和 1 只稳压管即可构成参数型稳压器。反馈调整 型稳压器具有负反馈，是闭环调整系统，利用输出电压的变化，经取样、比较、放大得到控制电 压，去控制调整元件，从而达到稳定输出电压的目的。 2、按调整元件和负载连接方式分，有并联式稳压器和串联式稳压器。调整元件与负载并联的 称为并联式稳压器，调整元件与负载串联的称为串联式稳压器。 3、按作用器件分，有电子管稳压器、稳压管稳压器、晶体管稳压器、可控硅稳压器等。 4、按调整器件的工作状态分，有线性稳压器和开关稳压器。调整器件工作在线性放大状态的 为线性稳压器，调整器件工作在开关状态的称为串联式稳压器。 5、按电路的主要部分是集成电路还是分立元件分，有集成线性稳压器、集成开关稳压器和分 立元器件组成的稳压器。 根据需要，还可以有其他分类方法，例如高压稳压器、低压稳压器；通用稳压器、专用稳压 器等。 2.3直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标 稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标， 前者标识稳压电源的功能又称试用指标， 后者反映了稳压电源质量的优劣。 1、特性指标 2、输入电压及适用范围。 3、输出电压及输出电压调整范围 4、额定输出电流（指电源正常工作时的最大输出电流）以及过流保护电流值。 （1）电压调整率 负载电流0及温度 T 不变而输入电压 U1变化时，输出电压 U0的相对变化量U0/U0与输入电压变 化量U1之比值，称为电压调整率，即 7 0 0 00 0 %100 T I I U U UU S 一般直流稳压电源的电压调整率 SU为 1%、0.1%、0.01%不等，其值越小，稳压性能越好。电 压调整率也可定义为：在负载电流和温度不变时，输入电压变化 %10 时，输出电压的变化量 U0，单位为毫伏。 （2）稳压系数 稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即 0 0 00 0 T I II r UU UU S 式中，U1为稳压电路输入直流电压，即整流电路的输出电压。 一般情况下 Sr在 10 -210-4数量级。显然，S r越小稳压电路输出电压的稳定性越好。 （3）负载调整率（亦称电流调整率） 在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量用百 分数表示 0 0 0 max00 %100 T II I U U S （4）输出电阻（内阻） 当输入电压固定时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻 R0，亦称内阻， 即 R0= 0T 0Ui 0 0 I U 其单位为欧。R0的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳压的能力。R0越小负 载能力越强，一般 R018V,最大整流电流 IF=IA0.3A 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。 （1）求Ui： 根据稳压电路的稳压系数的定义： 设计要求U05mV，Sr0.005，U0= -12V +12V，Ui=18V 代入上式，则可求得Ui=U0/（U0*Sr） ； （2）滤波电容 C，t=0.01S 设定 I0=I0max=1.2A 则可求得 C。 注意：因为大容量电解电容由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。 3.43.4 电路板的设计电路板的设计 原理图设计是整个 Protel99se 工程的开始,是 PCB 文档设计乃至最后制版的基础。一般设计 程序是:首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小,即建立工作平面；然后从元器件库中取出 所需元件放到工作面上,并给它们编号、对其封装进行定义和设定；最后利用 Protel99se 提供的 工具指令进行布线,将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来,对整个电路进 行信号完整性分析,确保整个电路无误。 3.4.13.4.1 电路板的规划电路板的规划 电路板规划的主要目的是确定其工作层结构,包括信号层、内部电源/接地层、机械层等。通 过执行菜单命令 DesignBoard Layers，在打开的对话框中可以控制各层的显示与否，以及层的颜 色等属性设置。如果不是利用 PCB 向导来创建一个电路板文件的话,就要自己定义 PCB 的形状和 尺寸。绘制时需单击工作窗口底部的层标签，再由 PlaceKeepout 命令来单独定义。该操作步骤 实际上就是在 Keep Out Layer(禁止布线层)上用走线绘制出一个封闭的多边形，而所绘多边形的 大小一般都可以看作是实际印制电路板的大小。 3.4.23.4.2 元器件的选择元器件的选择 对元器件的选择要严格遵循设计要求，在进行 PCB 设计之前，首先要准备好原理图 SCH 的 元件库和 PCB 的元件库。元件库可以用 peotel99se 自带的库，当很难找到合适的，可以自己根 据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做 PCB 的元件库，再做 SCH 的元件库。PCB 的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH 的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管 脚属性和与 PCB 元件的对应关系就行。 3.4.33.4.3 PCBPCB 电路板生成的流程电路板生成的流程 1、生成网络表 在原理图里面加好封装，保存，ERC 检查，生成元件清单检查。生成网络表。 2、建立 PCB 选择好公制，捕获和可见删格大小，设计好外框(向导或自己画)，然后放好固定孔的位置， 大小(3.0mm 的螺丝可以用 3.5mm 的内孔焊盘，2.5 的可以用 3 的内孔)，边缘的先改好焊盘， 孔大小，位置固定。 3、布局 调用网络表，调入元件，修改部分焊盘大小，设置好布线规则，可以改变标号的大小，粗 细，隐藏标称值。然后先把需要特殊位置的元件放好并琐定。然后根据功能模块布局，(可以用 SCH 里面选择过度到 PCB 里面选择的方式)， 一般不用 X， Y 进行元件的翻转， 而是用空格旋转。 14 对于一个功能模块先放中心元件，或大元件，然后放旁边的小元件，(比如集成块先放，然后放 直接和集成块两管脚直接相连的元件，再放和集成块一个管脚相连的元件，而且类似的元件尽 量放在一起，比较美观也要考虑后面连线的方便性)。当然一些特殊关系的元件先放，比如一些 滤波电容和晶振等需要靠近某些元件的先放好。还有会干扰的元件先整体考虑要离远点。高低 压模块要间隔 6.4mm 以上。要注意留出散热片，接插件，固定架的位置。一些不能布线的地 方可以用 FILL。还要考虑散热，热敏元件。电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种： (1)平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好;对 于 1/4W 以下的电阻平放时，两个焊盘间的距离一般取 4/10 英寸，1/2W 的电阻平放时,两焊盘 的间距一般取 5/10 英寸；二极管平放时，1N400X 系列整流管，一般取 3/10 英寸；1N540X 系 列整流管,一般取 45/10 英寸。 (2)竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两 个焊盘的间距一般取 12/10 英寸。 4、布线： 先设置好规则里面的内容，VCC，GND 大功率等大电流的线可以设置的宽点 (0.5mm-1.5mm)，一般 1mm 可以通过 1A 的电流。对于大电压的线间距可以设置大点，一 般 1mm 为 1000V。设置好了，先布 VCC，GND 等一些比较重要的线。注意各个模块的区分。对 单面板最好可以加一些条线。加过孔，不一定横平竖直，集成块的焊盘间一般不走线，大电流 的宽线可以在 solder 层画上线，以便后面上锡；走线用 45 度角。 5、手工修改线： 修改一些线的宽度，转角，补泪地或包焊盘(单面板必须做)，铺铜，处理地线。 15 第第四章四章 电路仿真电路仿真 4.1 测试要求测试要求 1、测试并记录电路中各环节的输出波形。 2、测试稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。 固定输出5V 时最大输出电流 0.3A 和可变输出12V 时最大输出电流 0.1A 的直流电输出。 3、测量输出电阻 R0。 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 Sr。 （注意：用调压器使 220V 交流改变10%。即Ui=44V） 5、用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。 6、分析测量结果，并讨论提出改进意见。 4.2 测试结果和计算结果分析测试结果和计算结果分析 1、 电压输出波形和纹波变化见仿真图 2、 图 4.1输入波形 16 图 4.2经过整流桥波形 图 4.3经过滤波电路后的波形（可见纹波） 17 图 4.4 最终输出波形 2、稳压系数 Sr 的理论值计算 Sr= 0 UnA U v I = 108465 . 0 15 =0.0030.005 4.3 电路的误差分析与改进电路的误差分析与改进 1、综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有： 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差； 电流表内阻串入回路造成的误差； 测得纹波电压时示波器造成的误差； 示波器，万用表本身的准确度而造成的系统误差； 2、可以通过以下的方法去改进此电路； 减小接触点的微小电阻； 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正； 测得纹波时示波器采用手动同步； 采用更高精确度的仪器去检测； 18 第五章第五章 设计体设计体会会 5.1 注意事项注意事项 1、 焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。 2、 测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。 3、 按原理图焊接时必须要保证可靠接地