半导体直流稳压电源的设计和测试.doc

中北大学电子技术课程设计中北大学电子技术课程设计课程设计任务书半导体直流稳压电源的设计和测试（一）设计目的1、学习直流稳压电源的设计方法；2、研究直流稳压电源的设计方案；3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法；（二）设计要求和技术指标1、技术指标：要求电源输出电压为5V，输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA。2、 设计基本要求（1） 设计一个能输出5V的直流稳压电源；（2） 拟定设计步骤和测试方案； （3） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；（4） 撰写设计报告。（三）设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、列出测试数据表格。4、总结。目 录 1 引言 41.1 制作串联直流稳压电源的目的要求41.2基本知识介绍42 半导体直流稳压电源电路的设计82.1 设计方案（总体框图设计）82.2电源变压器单元电路的设计92.3 整流单元电路的设计92.4 滤波单元电路的设计112.5 稳压单元电路的设计 122.6 整体电路的参数确定及元件选择153 仿真与制作173.1 multisim仿真软件的简介173. 2 半导体直流稳压电源仿真电路173.3 仿真结果及其分析184总结20附录A 元件清单21附录B 电路图21参考文献 231 引言直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。 半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。关键字：串联稳压直流可调电源原理，Multisim软件 1.1 制作串联直流稳压电源的目的要求（1）、设计一个串联直流稳压电源。要求输入交流电压：U=220V，f=50Hz，输出直流电压：U=5V，输出直流电流：I1A。提示：小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几个部分组成。（2）、所设计的电路在Multisim仿真软件中，进行测试。1.1.1基本目的 此次课程设计选择使用分立式元器件构成串联直流稳压电源。通过本次学习了解相关分立式元器件的基本结构、工作原理、特性和参数以及由它们构成的串联型直流稳压电源的工作原理、原理图的设计和参数的计算、元器件的选用、计算机软件实现硬件的仿真。1.1.2基本要求（1）、设计一个串联直流稳压电源。要求输入交流电压：U=220V，f=50Hz，输出直流电压：U=5V，输出直流电流：I1A。提示：小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几个部分组成。（2）、所设计的电路在Multisim仿真软件中，进行测试。1.2 基本知识介绍1.2.1电源变压器知识1 初级(Primary Winding)：是指电源变压器的电源输入端。2 次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。3额定输入电压U：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。对GS变压器来说，U230V；对BS变压器来说，U240V。4空载电流I：是指电源变压器的初级接上额定输入电压U而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。I与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I也可能不同。5 空载电压U：是指变压器初级接受上额定输入电压U次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U也可能不同。6 负载电流I：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，流过负载的电流。7 负载电压U：是指变压器初级接上额定输入电压U，次级接上额定负载时，负载两端的电压。8 定输出功率P：是指变压器在额定输入电压U时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，P越大，变压器的尺寸越大；P相同，即使输出电压U不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。 由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。举例来说，一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I= P/U=10VA/24V 0.416A；若U=12V， 则输出电流I=0.833A。电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2较小。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。表1.1 变压器的效率副边功率P/vA1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.85本设计选择小型单相式变压器，有四组输出线分别为7V、10V、17V、10V。1.2.2整流电路1、半波整流电路图1.1半波整流电路由以上图可知，半波整流电路的利用率低，一般不采用。2、全波整流电路图1.2 全波整流电路由于变压器副线圈的接线较复杂，在实际中叶一般不采用。3、桥式整流电路图1.4 桥式整流电路电路工作原理:利用二极管正向导通反向截止的工作原理,当U2为正半周时二极管D1、D3导通,D2D4截止当U2为负半周时二极管D2、D4导通, D1、D3截止。而流过负载的电流的方向是一致的,在负载形成单方向的全波脉动电压。.从而实现将交流的电压变为直流电压.主要参数：Uo=0.9*Ui ，绝大多数整流电路采用桥式整流电路，所以本设计采用桥式整流。1.2.3滤波电路滤波电路主要有：电容滤波、RC-型滤波、LV-型滤波、L滤波，LC滤波，其中LC滤波电路在负载电流较大或较小时，均有较佳的滤波特性，故LC滤波对负载的适应性最强，整流管的冲击电流小，特别适用在电流变化较大的场合， 所以本电路采用LC滤波电路， LC 滤波电路 LC 滤波波形图1.5 滤波电路电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用,再并上一个电容,利用电容的充放电作用,使得负载电流较大时或较小时均有较佳的滤波能力. 主要参数:LC滤波电路的直流输出电压,如忽略电感上的压降,则输出直流电压等于全波整流的输出电压,则有 Uo=0.9U21.2.4串联型稳压电路稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。稳压电路的主要指标：1稳压电路的主要指标稳压系数Sr和稳压电路的输出电阻稳压系数Sr：稳压系数是在有负载固定不变的前提下，输出电压的相对变化量Uo/Uo与稳压电路输入电压相对变化量Ui/Ui之比，即：该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此外稳压电路输入电压Usc就是整流滤波以后的直流电压。2稳压电路的输出电阻 输出电阻可以衡量稳压电路受载电阻的影响程度,即： 除了上述两个指标外,有时还用其它指标:电压调整率，指当电网电压（u2）变化10%时，输出电压的相对变化量；电流调整率，指当输出电流Io从零到最大时，输出电压的相对变化 ；最大波纹电压，反映在输出端存在的HZ或者100Hz交流分量，通常以有效值或峰峰值表示；温度系数，指电网电压和负载都不变时，由于温度变化面引起的输出电压漂移等。直流稳压电路的类型很多，有：硅稳压管稳压电路、串联某型稳压电路、集成稳压电路，开关稳夺电路，其中集成稳压电路相对于其它类型的稳夺电路来讲具有体积小、稳定性高、输出电阻小、温度性能好、使用方便、外围元件少等优点，在实际应用中得到广泛应用。集成稳压器有两种：输出固定电压和可调输出电压的稳压块。1.2.5 主要元器件简介1三极管：（1）、9013 NPN 低频放大 40V50V 0.5A 0.625W 150MHZ hFE：1001000 (放大倍数分段可选（2）、9012 PNP 50V 500mA 600mW 低频管 放大倍数30-90（3）、大功率三极管 2SC2563 NPN 通用参数： 8.0A/120V2常用整流二极管参数 IN5399 耐压1000V 1.5A1N4007 硅整流二极管 1000V, 1A,1N4735A 1W 6.2V稳压管1N4727A 1W 3V稳压管3芯片（1）、数显部分芯片：ICL7107(31/2位双积分型A/D转换器，)主要参数： 电源电压 ICL7107 V+ to GND 6V 温度范围 0 to 70 ICL7107 V- to GND -9V 热电阻 PDIP封装 qJA(/W) 50 MQFP封装 80 模拟输入电压 V+ to V- 最大结温 150 参考输入电压 V+ to V- 最高储存温度范围 -65 to 150 时钟输入 GND to V+ （2）、 7805芯片 输出5V电压 具体参数见集成电路查询网1.2.6电磁继电器电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2半导体直流稳压电源电路的设计2.1 设计方案（总体框图设计）2.1.1 电路原理直流稳压电源的工作流程如下：图2 . 1 . 1 直流稳压电源的设计电路框图图2 . 1 . 2 直流稳压电源的方框图结合图2.1.1、图2.1.2，我们得出直流稳压电源的工作原理：电路接入幅值为220V、频率为50Hz的ui，通过电源变压器，将220V的电压幅值调整为合适的电路工作压值u2。通过电源变压器输送过来的交流电，再通过桥式整流电路BRIDGE，得到单方向全波脉动的直流电压。由于单方向全波脉动的直流电压中含有交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，电容C就起到这个作用；对于要求不高的电路，经过滤波后的直流电压可以直接应用，对于一些要求比较高的电路。我们在滤波电路的后面再接一个稳压电路，使输出的直流电压更加平滑，如集成稳压器CW7812和CW7912。一般来说，滤波电容C的容量比较大，本身就存在着较大的等效电感，因此对于引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决这个问题， 在电容C旁并联一只小容量电容器C1、C2，就可有效地抑制高频干扰。 另外，稳压器在开环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响，有可能产生自激，C1、C2则兼有抑制高频振荡的作用。输出端接入电容器C3、C4、C5、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。2.2电源变压器单元电路的设计源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=。图2 . 2 . 1 电源变压器电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA0.5kVA为中功率，0.5kVA25VA为小功率，25VA以下为微功率。2.3 整流单元电路的设计 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此，二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1kW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。（二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）。图2 . 3 . 1 单相桥式整流电路图图2.3.1是容性负载单相桥式整流电路。它的四臂是由四只二极管构成，当变压器B次级的1端为正、2端为负时，二极管D2和D4因承受正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。此时，电流由变压器1端通过D4经RL，再经D2返回2端。当1端为正时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流则由2端通过D3流经RL，再经D1返回1端。因此，与全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算：图2 . 3 . 2 单相桥式整流电路电压、电流波形图（2.3.1）负载电压vL的平均值为： VL = = 0.9V2 （2.3.2）直流电流为： IL = （2.3.3）而谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量之上。常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即： Kr = = （2.3.4）式子中的为谐波分量的有效值。整流元件参数的计算：在桥式整流电路中，二级管是两两轮流导通，所以流经每个二极管的电流为： ID = 0.5IL = 一般电网电压的波动范围为+%10到-%10之间，实际上选用的二极管的最大整流电流和最高反向电压应该留有大于%10的余量。2.4 滤波单元电路的设计滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般有电抗元件组成，例如在负载电阻两端并联电容器C,或者在整流电路输出端与负载之间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。图2 . 4 . 1 滤波电路的基本形式图2.4.1中的（a）图是C形滤波电路，（b）图是倒L形滤波电路，图（c）是形滤波电路。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容C接在最前面）和电感输入式（电感L接在最前面）。前一种滤波电路多用在小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一个电感器与负载串联）。电容滤波电路：图2 . 4 . 2 桥式整流、电容滤波电路图2.4.2所示为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vc对整流元件导电的影响。整流元件只有在受正向电压作用时才导通，否则便截止。负载RL未接入（开关S断开）时：电容C充电时间常数为：TC = RintC （2.4.1）式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。接入负载RL（开关S闭合）时：电容C充电时间常数为： Td = RLC （2.4.2）因为Td一般较大，故电容两端的电压vc按指数规律慢慢下降。在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值I2 = 1.11 IL 而有电容滤波时： I2 = （1.52）IL （2.4.3）为了得到平滑的负载电压，一般取 Td = RLC (35) 电容滤波负载电压VL与V2的关系： V =（1.11.2）V2 图2 . 4 . 3 桥式整流、电感滤波电路2.5 稳压单元电路的设计输出电压的变化量Usc 是很微弱的，它对调整管的控制作用也很弱，因此稳压效果不够好，带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。BG1 是调整管，BG2 是比较放大管。输出电田变化量Usc 的一部分与基准电压Uw 比较，并经BG2 放大后进到了BG1 的基极。Rc 是BG2 的集电极电阻，又是BG1 的上偏置电阻。R1、R2是BG2 的上、下偏置电阻，组成分压电路，把Usc 的一部分作为输出电压的取样，送给BG2 的基极，因此又叫取样电路 R2 上的电压Ub2：叫取样电压。DW和R3组，成稳压电路，提供基准电压Uw=Ue2。图2 .5 .1 串联反馈式稳压电路一般结构图 图2.5.1中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压。这种稳压电路的主回路是起着调整作用的BJT、T与负载串联，故称为串联稳压电路。基准电压VREF、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压： Vo = (1+) = （2.5.1）输出电压的调节范围：动端在最上端时，输出电压最小： = = 动端在最下端时，输出电压最大： = = 图2 .5 .2 78L系列输出电压固定的三端集成稳压器集成稳压器方案：根据课程设计任务书要求：电源输出电压为5V，输入电压为220V，输出电流为IL1A。因为集成稳压器比较方便，故采用LM7812CT集成稳压器组成稳压电路。图2 . 5 . 3 LM7812CT集成稳压器2.6 整体电路的参数确定及元件选择图2 . 6 . 1 总体的设计图输入电压的确定U2太低则稳压器性能将受影响，甚至不能正常工作；U2太高则稳压器功耗增大，会导致电源效率下降，使最大输出电流有所降低。所以U2的选择原则是：在满足稳压器正常工作的前提下，U2越小越好，但U2最低必须保证输入、输出的电压之差大于23V。由任务书技术指标要求可确定U2的值，取变压器输出的U2=16V电源变压器：源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压U2。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。一般小型变压器的效率为：表 2 . 6 . 1 变压器的效率表副边功率P/vA1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.85根据设计的要求，最终要输出12V的直流电压。若从变压器输出的送给整流滤波电路的电压V2为16V，则电容滤波电路的负载电压VC与V2的关系为：VC = （1.1 1.2）V2 ; Vc = 1.2 * 16 = 19.2 v为了稳定直流电压为5V，后面的稳压电路选用集成稳压器：LM7812CT。也就是说V2为16V符合要求。于是变压器的变比n可以计算： n = = = 13.75于是可以用变比n为14的功率为8W变压器。整流电路：图 2 . 6 . 2 整流部分显然采用整流桥，设计要求中要求最大输出IL为500mA 于是：最大允许流经每个二极管的 ID = 0.5 IL = 0.5 * 500 = 250 mA而每个二极管所承受的最大反向电压为： VRM = = 22.63 v于是整流桥部分采用的是四个型号为 1N4007GP 的二极管构成。图2 . 6 . 3 滤波部分滤波部分：滤波电容C可由下式估算： C = 为稳压器纹波电压，t为电容c的放电时间，t = 0.5 T = 0.01 s Ic为电容c的放电电流。可取Ic = Iomax ， 滤波电容c的耐压值应该大于。还有 RLC = 0.5 * T * 4 = 2 T = 2 * （0.02） = 0.04 s若考虑电网电压波动%10, 则电容器承受的最高电压为：VCM = * 1.1 = 1.4 * 16 * 1.1 = 24.64 v由任务书技术指标要求可确定滤波电容，图212中所示。稳压部分：稳压部分采用集成稳压器LM7812CT，集成稳压器LM7812CT的最大输入电压VI 35 V，最大输出电流Io 1.5 A，最大耗散功率PD 20 W，参数都符合要求。直流稳压电源保护电路在变压器的副边可以接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他元件，其额定电流要略大于IF，选FU的熔断电流为1A3 仿真与制作3.1 multisim仿真软件的简介 图3 . 1 . 1 multisim仿真软件的操作界面Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以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。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的实现建模测量。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim 10.0，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 11作为最新版本包含于其中，作为最新版本，NI Multisim v 11有很多优点，而且加入了很多新的元器件，有很丰富的元器件库。我所用的就是NI Multisim v 11的版本。3. 2 半导体直流稳压电源仿真电路 图3 . 2 . 1半导体直流稳压电源仿真电路3.3 仿真结果及其分析 仿真的输出结果在5V左右，现在测量稳压系数，测试的过程是：先调节变压器，使输入电压增加%10，即VI=242V ，测量此时对应的输出电压Vo1=12.023 V，再次调节变压器使输入电压减少%10，即VI=198 V时，测量输出电压Vo2=12.021 V，在测量VI=220V时，对应的输出电压Vo=12.022 V，于是稳压系数为： 0.0008 = %0.08符合设计要求。图3 . 3 . 2 稳压电源性能指标测试电路接着，按图 3.3.2所示电路测量最大输出电流，测量方法为使RL逐渐减小，直到UO的值下降5%，此时经负载RL的电流即为IOM。有一点需要注意，在记下IOM后迅速增大RL以减小稳压电源的功耗。：图3 . 3 . 3 最大输出电流测量最大输出电流，图3