模电课设直流稳定电源.doc

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 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 信息工程学院信息工程学院 题题 目目 直流稳定电源 初始条件 初始条件 低通滤波器 电阻 电容 电位器 变压器 三极管 二极管等 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 基本功能 1 稳压电源稳压电源 在输入电压 220V 50Hz 电压变化范围 15 20 条件下 a 输出电压可调范围为 9V 12V b 最大输出电流为 1 5A c 电压调整率 0 2 输入电压 220V 变化范围 15 20 下 空载到满载 d 负载调整率 1 最低输入电压下 满载 e 纹波电压 峰 峰值 5mV 最低输入电压下 满载 f 效率 40 输出电压 9V 输入电压 220V 下 满载 g 具有过流及短路保护功能 2 稳流电源稳流电源 在输入电压固定为 12V 的条件下 a 输出电流 4 20mA 可调 b 负载调整率 1 输入电压 12V 负载电阻由 200 300 变化时 输出电流 为 20mA 时的相对变化率 3 DC DCDC DC 变换器变换器 在输入电压为 9V 12V 条件下 a 输出电压为 100V 输出电流为 10mA b 电压调整率 1 输入电压变化范围 9V 12V c 负载调整率 1 输入电压 12V 下 空载到满载 d 纹波电压 峰 峰值 100mV 输入电压 9V 下 满载 2 发挥部分 1 扩充功能 a 排除短路故障后 自动恢复为正常状态 b 过热保护 c 防止开 关机时产生的 过冲 2 提高稳压电源的技术指标 a 提高电压调整率和负载调整率 b 扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值 3 改善 DC DC 变换器 a 提高效率 在 100V 100mA 下 b 提高输出电压 4 用数字显示输出电压和输出电流 时间安排 时间安排 2010 1 172010 1 17 电路图的设计 电路原件的选择和购买 电路图的设计 电路原件的选择和购买 2010 1 182010 1 18 电路板焊接 电路板焊接 2010 1 192010 1 19 电路的调试 电路的调试 2010 1 202010 1 20 设计报告的撰写 设计报告的撰写 2010 1 242010 1 24 答辩 答辩 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 直流稳定电源直流稳定电源 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 本次模 拟电子技术课程设计内容为直流稳定电源 通过设计 装配 调试几个过程 对模拟电 子技术产生进一步的认识和对它在实际中的运用有进一步的了解 提高动手及应用能力 为以后的学习和工作打下坚实的基础 关键字 电源 模拟电子技术 直流稳定电源 Abstract Summary along with the development of modern science and technology a wide variety of electrical and electronic equipment is widely used in their daily work research learning and change Power supply of electrical and electronic equipment as an essential part of energy supply demand and the capabilities of the power stability and so the objectives it raised higher requirements On the power of research and development has become a new technology device development an important step in promoting technological development plays an important role in This analog electronics course design content to DC power by design Assembly debug processes on analog electronics produce further understanding and to actually make use of further understanding training and skills for future study and work lay a solid foundation 目录目录 1 总体电路方案设计与选择 1 1 1 直流稳定电源设计要求 1 1 1 1 稳压电源 1 1 1 2 稳流电源 1 1 1 3 DC DC 转换器 1 1 2 系统基本方案 2 1 3 各模块方案选择和论证 2 1 3 1 直流稳压源 2 1 3 2 稳流电路 3 1 3 3 DC DC 变换器 3 1 3 4 测量显示电路 3 2 硬件电路设计 3 2 1 直流稳压电源 3 2 1 1 交直流转换电路 3 2 1 2 DC DC 转换电路 3 2 2 稳流电源 3 2 3 直流稳压电源 DC DC 变换器 3 2 4 测量显示电路 3 3 系统测试 3 3 1 测试仪器 3 3 2 指标测试 3 3 2 1 稳压电源的测试 3 3 2 2 稳流电流源的测试 3 3 2 3 DC DC 转换器的测试 3 3 3 结论 3 4 收获 体会和建议 3 5 主要参考文献资料 3 附录 元器件清单 3 最新可编辑 word 文档 1 总体电路方案设计与选择 1 1 直流稳定电源设计要求 1 1 1 稳压电源 在输入电压 220V 50Hz 电压变化范围 15 20 条件下 a 输出电压可调范围为 9V 12V b 最大输出电流为 1 5A c 电压调整率 0 2 输入电压 220V 变化范围 15 20 下 空载到满载 d 负载调整率 1 最低输入电压下 满载 e 纹波电压 峰 峰值 5mV 最低输入电压下 满载 f 效率 40 输出电压 9V 输入电压 220V 下 满载 g 具有过流及短路保护功能 1 1 2 稳流电源 在输入电压固定为 12V 的条件下 a 输出电流 4 20mA 可调 b 负载调整率 1 输入电压 12V 负载电阻由 200 300 变化时 输出电流 为 20mA 时的相对变化率 1 1 3 DC DC 转换器 在输入电压为 9V 12V 条件下 a 输出电压为 100V 输出电流为 10mA b 电压调整率 1 输入电压变化范围 9V 12V c 负载调整率 1 输入电压 12V 下 空载到满载 d 纹波电压 峰 峰值 100mV 输入电压 9V 下 满载 最新可编辑 word 文档 1 2 系统基本方案 根据题目要求 它由直流稳压电源 恒流源 DC DC 变换器和直流电压测量仪四 大部分组成 1 3 各模块方案选择和论证 1 3 1 直流稳压源 方案一 采用单级开关电源 由 220V 交流整流后 经开关电源稳压输出 但是由于 这种方式产生的直流电压纹波比较大 无法得到稳定的电压输出 很有可能造成设计的 失败和技术参数的超标 不符合我们的要求 图1 1 直流稳压源 系统方框图 方案二 我们将从滤波电路输出的电压接到线性稳压电路 如下图所示 线性稳压电路的输出值可调 为 9 12V 的直 流输出 此方案的优点是 电路简单 很容 易调试 但是效率比较低 其输入端一般为 15V 左右的电压 而输出只有 9 12V 压降 较大 功率损耗比较严重 无法实现效率 40 的目的 方案三 以方案二为基础 在线性稳压电路前加入 DC DC 变换器 采用脉宽调制 PWM 技 术 并采用恒压差控制技术 如右图所示 在这种情况下 由 DC DC 变换器来完 成从不稳定的直流电压到稳定的直流电 压的转变 由于采用脉宽调制技术和恒 DC DC 变换器 电流 电压 测量 仪 流源源 直流 稳压 电 源 最新可编辑 word 文档 压差控制技术 使得线性稳压电路两端压差减小 电路消耗大幅度下降 解决了方案二重的效率低下 的问题 其次 由于使用脉宽调制技术 使得电路有了过流 过热 自动恢复等功能 此方案可行 1 3 2 稳流电路 方案一 该方案的基本思想是利用 LM317 集成基准电压源 其三端和一端之间固定 压降为 1 25V 流经固定电阻后产生恒稳电流 原理如图 因 IS US UBE RS RP1 1 25 0 7 RS RP1 1 1 图 1 2 方案一原理图 于是 IS IL Ib IS 1 2 方案二 下图是一个由双运放构成的恒流源电路 A1 为深度负反馈同向放大器 A2 接成电压跟随器组态 它把输出电压反馈回输入端 依放大特性 UP URR4 R3 R4 U0R3 R3 R4 1 3 UN U 0R1 R1 R2 1 4 最新可编辑 word 文档 UP UN 在设计中取 R1 R2 R3 R4 由以上三式可得 U 0 U0 UR即电路 R5上的压降 U 0 U0 等 于控制电压 UR 忽略集成运放的输入偏置电流 则输出电流为 I0 UR US 图 1 3 方案二原理图 这种方案利用运放构成深度负反馈电路 有效地抑制了外界的干扰 使得恒流电流 源稳定性增强 理论上可达到 0 001 0 0001 的稳定性 完全满足设计要求 方案三 该方案使用精密电压基准 TL431 如图 该电路也属于串联调整型稳流源 加入了 TL431 相当于引入了一个深度负反馈 使得 R2 RP 两端电压稳定在 Un1 通过 改变 R2 RP 串联电阻控制电流 I 达到恒流的目的 最新可编辑 word 文档 图 1 4 方案三原理图 以上三个方案实践证明均可行 但是方案一的精度稍微差一点 方案二不便于自制 数字电流表测量故选方案三 1 3 3 DC DC 变换器 方案一 Boost 型 DC DC 升压器 容易实现 但是输入 输出电压比太大 占空比大 输出电压范围小难以达到较高的指标 方案二 采用专用开关升压芯片 美国 Maxim 公司生产的 Max 系列 DC DC 变换器 有各种类型的型号 有降压 升压 负电压变换等 大部分型号采用的是开关脉宽调制 PMW 其效率高 外围电路也比较简单 方案三 变压器的开关电源 由于使用高频变压器 可以做到输出电压宽 开关管 占空比合适 方案比较 方案一技术成熟 但由于电路结构上的原因 输出电压范围小 难以达 到较高的指标 方案二外围元件少 调试方便 但是采购困难 方案三电路虽然复杂 但是指标高 最后决定采用方案三 最新可编辑 word 文档 1 3 4 测量显示电路 设计中采用 3AID 及显示译码芯片 ICLO7107 和 LED 数码管相结合的方式 2 2 硬件电路设计硬件电路设计 2 1 直流稳压电源 2 1 1 交直流转换电路 本目的在于从 50Hz 220V 的交流电压中得到直流电压 如图 当输入为 220V 的交流电 压时 首选通过变压器降至 25V 左右交流电压 整流部 分选用了 全波桥式整流电 路 输出为 32V 直流电压 2 1 2 DC DC 转换电路 使用此电路的目的在于最大限度的降低模块的功耗 同时 为下一级提供稳定的直 流电压 它的电路图如图 图 2 1 交流直流转换电路 最新可编辑 word 文档 图 2 2 DC DC 转换电路 下面先介绍一下 TL494 TL494 的介绍 TL494 是一种固定频率 脉宽调制电路 主要为 SWITCHMODE 开关电 路 电源控制而设计 其功能框图如下图所示 图 2 3 TL494 原理方框图 最新可编辑 word 文档 2 1 2 1 转换电路特点 完整的脉宽调制控制电路 拥有主控或被控片内振荡器 片内误差放大器 片内 5 0V 参考电压 可调的空载时间控制 额定值为 500mA 源或吸入电流的独立晶体管 推挽或单端工作的输出控制 欠压锁定 极限参数或推荐工作条件 电源电压 Vcc 42V 推荐 7 40V 集电极输出电压 Uc1 Uc2 42V 推荐 30 40V 集电极输出电流 Ic1 Ic2 500mA 推荐 200mA 放大器输入电压 UIR 0 3 42V 输入反馈电流 Ifb 0 3mA 最大值 参考输入电流 Iref 10mA 推荐 最大功耗 PD TA 45 1000mW 工作结温 TJ 125 塑封 TL474C 494I 65 150 陶封 振荡器频率 fOSC 1 0 200kHz 推荐 储存温度 Tstg 55 125 塑封 TL474C 494I 65 150 陶封 工作温度 TA 0 70 TL494I 25 85 TL494I 55 125 TL494M 定时电阻 RT 1 8 500K 推荐 定时电容 CT 0 0047 10 F 推荐 封装 带后缀 J 为陶封 外形图 CASE620 带后缀 N 为朔封 外形图 CASE648 主要电特性参数见表 主要电特性参数 最新可编辑 word 文档 参数条件符号最小值典型值最大值单位 基准点流 mAI0 1 0 REF V 4 755 05 25V 短路电流 VUREF0 SC I 153575mA 误差放大器输 入失调电压 VU Pin 5 2 3 0 io U 2 010mV 输入失调电流 VU Pin 5 2 3 0 io I 5 0250nA 输入偏置电流 VU Pin 5 2 3 0 IB I 0 1 1 0A 输入共模电压 范围 VUCC40 ICR U 0 3 2 0 CC VV 输出陷电流VU Pin 7 0 0 o I 0 30 7 mA 输出源电流VU Pin 5 3 0 o I 2 0 4 0 mA 整个器件备用 电源电流 VUCC15 VUCC40 SC I 5 5 7 0 10 15 mA 平均电源电流 FT C 01 0 kRT12 VU Pin 0 2 4 7 0 mA 表 1 电特性参数表 注 参数测量条件为 15V 对于典型值 为 CC VFCT 01 0 KRT12 A T 对于最小值 最大值 环境工作温度范围 另有说明除外 C 25 2 1 2 2 转换电路工作原理 如图 8 4 8 所示 该电路是以 TL494 为核心的单端 PWM 降压型开关稳压电路 图中 与决定开关电源的开关频率 电阻作限流保护电阻作用 其内部误差放大器 10 R 5 C 8 R EA1 D 的反相输入端 脚 2 通过 5 1电阻接入反馈信号 从后级线性稳压电路 K 7 R 得到分压 开关管采用 PNP 型大功率晶体管 在恒定频率的 PWM 通断中 控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压 与锯齿波相比较而产生的 控制电压则是通过偏差 即实际输出电压与其给定值之间 con U 最新可编辑 word 文档 的差值 获得的 锯齿波的峰值固定不变 其重复频率就是开关的通断频率 在 PWM 控 制中 这一频率保持不变 频率范围为几千赫兹到几百千赫兹 当放大的偏差信号电平 高于锯齿波的电平时 比较器输出高电平 这一高电平的控制信号导致开关导通 否则 开关处于关断状态 当后级反馈高于 TL494 的基准电压 3 5V 时 片内误差放大器 EA1 输出电压增加 将导致外接晶体管 VT 和 TL494 内部 管的导通时间变短 使输 1 VT 2 VT 出电压下降到与基准电压基本相等 从而维持输出电压稳定 2 1 2 3 转换电路参数计算 由 得振荡频率 FCKR 001 0 39 510 KHzfosc 2 28 为了保证电流连续 电感取值不能太小 但也不能太大 计算如下 2 00002 0 5 12 1035 2 min ONOOi TIUUL 1 0 000167H 167 H C U0 TOFF 8 L f U0 2 2 15 10 0 000001 8 0 001 30 1000 0 1 0 00000625F 6 25 F IOP ILP Ui U0 2 L TON I0 2 3 35 10 2 0 001 0 00002 1 5 0 25 1 5 1 75A 2 1 3 线性稳压电路 本电路的目的是在一级稳压的基础上实现线性高精度稳压 降低纹波 提高电压调整 率 最终达到题目的指标要求 原理如下图所示 此电路继承了 DC DC 转换器的输出电压 在本电路中 首先输入电压在精密稳压源上产 生一个稳定的参考电压 接到由运放组成的比较电路的正端输入脚 输出电压经过电阻 分压之后反馈至运放的负输入端 运放的输出电压控制达林顿管的发射极电压 得到所 需的高度稳定的直流电压 参数计算 U0 UREF R1 RP R2 R P R2 2 最新可编辑 word 文档 4 取 R1 3k R2 1k RP 2k UREF 2 495V 则 当 R P 0 67k 时 U0 2 495 6 0 67 1 9V 当 R P 0 25k 时 U0 2 495 6 0 25 1 12V 图 2 4 线性稳压电路 2 1 4 恒压差控制 在 DC DC 转换电路和线性稳压电路之间采用恒压差控制 即 通过反馈使 DC DC 转换 电路输出电压与线性稳压器输出电压差值恒定 这样 既可保证线性稳压电路所需的电 压差 又降低了线性稳压电路低压输出的损耗 提高稳压模块的整体效率 而且 在整 个模块输入电压发生较大幅度变化时也能够达到高精度的稳定 在这一模块电路中 还有软启动电路 在开关机时 对产生过冲现象有相当大程度上 的抑制 同时通过控制 DC DC 变宽的脉冲 可实现过热 过流保护 到底如何实现恒压差控制呢 也就是说输出电压由 Uomin Uomax大范围内变化时 如何 使调整管 MJE3055 的管压降维护不变呢 下面回答这个问题 方法有很多种 这里介绍 一种简便可行的控制方法 称为同步跟踪法 2 1 4 1 同步跟踪法的机理 最新可编辑 word 文档 同步跟踪法的原理方框图如图所示 这里 RP 和 RP 是一个阻值均为 2K 的精密多 圈同轴电位器 若 RP 滑动 RP 也跟着滑动 此时 U0也同步跟随 U 0变化 其数值按下式计算 U0 UREF R1 RP R2 R2 RP2 2 5 U 0 U REP R 1 R P R 2 R 2 R P2 2 6 图 2 5 同步跟踪法的原理方框图 如果 R1 R2 RP UREF R 1 R 2 RP U REF选的合理 就可能使 U 0 U0为恒值 这 是同步跟踪法的机理 2 1 4 2 恒压差控制参数计算 MJE3055 管压降的确定 为了确保整机技术指标和管子安全 调整管管压降选择至 关重要 一般不能取得太低 因为低于 1 4V 时复合管进了饱和区 许多技术指标回急剧 下降 又不能取得太高 高了会使效率下降 甚至造成管子过热而损坏调整板 一般取 3 6V 为宜 折中考虑取 5V 最新可编辑 word 文档 即 U U0 5V 输出电压范围确定 根据题目基本要求输出电压范围 9 12V 又根据发挥部分要 求尽量扩大输出电压范围 这里暂定 5 15V UREF U REF RP RP 的确定 因总体方案和各模块方案确定后 主要器件已经确定 故许多参数自然就确定了 例如 PWM TL494 确定之后 U REF 3 5V 内部提供的 另 选择 UREF 2 5V 实际上是 2 495V RP R P 2K R1 与 R2 的确定 因为 1 RP R1 R2 UREF Uomax 2 7 1 R1 R1 RP UREF Uomin 2 8 将已知数值代入上式得 1 2 R1 R2 2 5 15 1 R1 2 R2 2 5 5 解方程组得 R1 1k R2 3k R 1和 R 2的确定 1 2 R 1 R 2 3 5 15 5 20 1 R 1 2 R 2 3 5 5 5 10 解此方程组得 R 1 6k R 2 1 2k 效率估算 在输出电压 U0 Uomin时 效率最低 在 U0 Uomax时效率最高 现设变压 器的效率为 1 95 整流滤波器的效率 2 95 DC DC 转换器的效率 3 90 设线 性稳压电路效率为 4 于是 min 1 2 3 4 0 95 0 95 0 9 0 5 0 406 max 1 2 3 4 0 95 0 95 0 9 15 20 0 609 当 V0 9V 时 其效率为 1 2 3 4 0 95 0 95 0 9 9 15 0 487 如何进一步扩大输出电压范围 根据以上分析可知 只要将 U 0 U0 U 由 5V 再降 最新可编辑 word 文档 低一些 但不能低于 3V 否则会影响系统其他指标 同时将 RP RP 由 2k 改为 3k 则可以进一步提高输出电压范围 2 2 稳流电源 稳流电源原理图如图所示 它也属于串联型直流稳压源 采用了 TL431 基准电压源 UREF 2 495V 当 R2 RP为定值时 则 IL为恒定值 当 R2 RP改变时 则 IL也随之改变 根据输出电压的范围 4 20mA 选 R2 12 RP 1 2k RL 200 300 图 2 6 稳流电源原理图 2 3 直流稳压电源 DC DC 变换器 由于本模块输出功率较小 因此考虑采用电路较简单的单端反激型开关电源 控制电 路由 TL494 芯片组成 如图所示 当功率晶体管受控导通时 高频电压器将电能变成磁能储存起来 而在晶体管受控截 止时 高频变压器原 副边极性改变 整流二极管 VD 和原相型开关电源中的续流二极 管对应 由反偏变为正偏导通 高频变压器就将原先储存的磁能变为电能 通过整流二 最新可编辑 word 文档 极管向负载供电和向输出电容 C0 充电 此电路的整流二极管是在功率晶体管截止时才导 通的 参数计算 由公式 U0 UREF R11 RP R12 R12 Rb 2 9 取 Rb 3 125k 则 U0 5 100 10 2 5 2 5 3 125 100V 变压器绕组计算 图 2 7 DC DC 转化器电路 输入电压最小值 Uimin 9V 取最大占空比 Dmax 0 45 得 P0 100 0 1 10W Ipmax 2 P0 Dmax Uimin 2 10 2 10 0 45 9 4 94A 取 f 40khz 则 匝数比 Ns Np U0 1 1 Dmax Dmax Uimin 2 11 100 1 1 0 45 0 45 9 13 最新可编辑 word 文档 绕组电感量 LP Uimin Dmax Ipmax f 2 12 9 0 45 4 94 40000 20 H 2 4 测量显示电路 图 2 8 测量显示电路 设计中采用 3 5A D 及显示译码芯片 ICL7107 和 LED 数码管结合而成 如图所示 各 电压量 或电流量在采样电阻上的压降 由按钮开关选择 通过电阻网络分压后输入芯 片 本系统用两组电路分别显示电压和电流值 3 系统测试 3 1 测试仪器 测试使用的仪器设备如表 1 所示 最新可编辑 word 文档 序号名称 型号 规格数量备注 1 直流数字稳压电源 YB1731B 1江苏扬中市电子厂 2万用表 MF47 1南京天宇电表厂 3示波器 YB43280 1江苏绿扬电子仪器有限公司 4 函数发生器 计数器 CA1640P 1扬中科泰电子仪器 5交流毫伏表1 表 2 测试使用的仪器设备 3 23 2 指标测试 3 2 1 稳压电源的测试 在规定范围内输入电压 调节输出电压 用电压表测量输出端得输出电压范围 为 3 25 17 50V 用电流表测得最大输出电流可达 1 7A 可由保护电路设定 改变输入电压 用数字电压表测出端电压 数据如下 次数12345 输入交流电压 V 150 8176 0220 8253 0257 2 输出直流电压 V 12 00012 00012 00011 99811 998 计算电压调整率为 0 017 最新可编辑 word 文档 接入负载 改变负载大小 用数字电压表测负载电压 数据如下 次数12 负载 8 输出电压 V12 00011 994 计算负载调整率为 0 05 用示波器观察输出电压 得波纹电压 峰 峰值 5mV 用输入端接入交流功率表 输出端接入直流电流表和直流电压表 测得 Pin 29 8w U0 9V I0 1 512A 计算效率为 45 66 3 2 2 稳流电流源的测试 在输出端接入电流表 调节输出电流 测得输出电流在 4 20mA 可调 在输出端接入负载 改变负载 用电流表测输出电流 数据如下 次数123 负载 200250300 输出电流 mA20 0019 9819 90 计算负载调整率为 0 5 3 2 3 DC DC 转换器的测试 用电压表测试输出端电压为 100V 可调到 210V 用电流表测试输出电流为 10mA 改变变压器输入电压 用电压表测试输出电压 数据如下 计算电压调整率为 0 88 改变负载大小 用电压表测试输出电压 数据如下 次数12 次数12 输入电压 V9 00012 000 输出电压 V99 92100 00 最新可编辑 word 文档 负载 1k 输出电压 V100 0099 98 计算负载调整率为 0 02 用示波器观察输出端电压 可得纹波电压 峰 峰 值为 50mA 在输出端接入电压表和电流表测得 Ui 12 000V Ii 1 222A 输出端接入电压表和 电流表测得 U0 100 0V I0 100 0mA 计算效率为 68 19 3 3 结论 本次设计成功设计出了直流稳定电源的各个电路图 实现了所要求的各项功能 完成 了实物的制作 通过调试和测量 对测得的数据分析和计算 达到了任务要求的参数标 准 4 收获 体会和建议 通过本次课程设计 我学到了很多书上没有的知识 我知道了常用元件的识别和测试 学会了简单的电路的设计和仿真 熟悉了常用仪器和仪表的使用方法 对 multisim 和 protel 软件的使用更加熟练 而且我知道了如何将学到的知识用到实际中去 用到设中去 通过本次课程设计 我对团队精神有了更深的认识 在设计过程中 我认识到了团队 的力量 并学会了和别人合作完成任务 对以后的学习和工作有很重要的意义 在设计过程中 也发现了很多问题 比如基础知识不是很扎实 理论联系实践的能力 还不够 动手能力还有待进一步提高 而且 安全意识不是