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开关式稳压电源的工作原理 随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有 40% 50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达 85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，本文对各类开关电源的工作原 理作一阐述。 一、开关式稳压电源的基本工作原理 开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。 调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。 对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压。可由公式计算，即 Uo=UmT1/T 式中 Um 矩形脉冲最大电压值； T 矩形脉冲周期； T1 矩形脉冲宽度。 从上式可以看出，当 Um 与 T 不变时，直流平均电压 Uo 将与脉冲宽度 T1 成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。 二、开关式稳压电源的原理电路 1、基本电 路 nts 开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。 交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。 控制电路为一脉冲宽度调制器， 它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管 VT1 截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过 次级绕组及 VD1 整流和电容滤波后向负载输出。 单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为 20 100，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。 单端反激式开关电源使用的开关管 VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在 20 200kHz 之间。 单端正激式开关电源 nts 单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管 VT1 导通时， VD2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感储存能量；当开关管 VT1 截止时，电感通过续流二极管 VD3 继续向负载释放能量。 在电路中还设有钳位线圈与二极管 VD2，它可以将开关管 VT1 的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等， 所以电路中脉冲的占空比不能大于。 由于这种电路在开关管 VT1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50 200的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。 自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。 当接入电源后在 R1 给开关管 VT1 提供启动电流，使 VT1 开始导通，其集电极电流 Ic 在 L1中线性增长，在 L2 中感应出使 VT1 基极为正，发射 极为负的正反馈电压，使 VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给 C1 充电，随着 C1 充电电压的增高， VT1 基极电位逐渐变低，致使 VT1 退出饱和区， Ic 开始减小，在 L2中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1 导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在 VT1 截止时， L2 中没有感应电压，直流供电输人电压又经 R1 给 C1 反向充电，逐渐提高 VT1 基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的 电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源 nts 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如 图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管 VT1 和 VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在 100 500范围内。 降压式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管 VT1 导通时，二极管 VD1 截止，输人的整流电压经 VT1 和 L 向充电，这一电流使电 感中的储能增加。当开关管 VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载 RL 和续流二极管 VD1 释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在 VT1 基极上的脉冲宽度确定。 这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需 要利用电感、电容和二极管即可实现。 升压式开关电源 nts 升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 VD1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。 nts 当开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能量，二极管 VD1 截止，负载 RL 靠电容 C 上次的充电电荷供电。当开关管 VT1 截止时，电感中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1 向负载供电，同时给电容充电。 （来源：电子工程专辑） nts1 开关稳压电源 摘要： 本设计 应用 隔 离 型回扫式 DC-DC 电源 变换技术完成 开关稳压电源的设计 及制作 。 系统 主要由整流滤波电路， DC-DC 变换 电路，单片机显示与控制 电路 三部分组成 。 开关电源的集成控制由脉宽调制控制芯片 UC3843 及相关电路 完成， 利用单片机进行 D/A 转 换 ，完成对输出电压的键盘设定和步进调整，同时 由 单片机 A/D 采集 数据 利用数码管 显示出输出电压和电流。 系统具有 输出电压可调范围宽 、 噪声纹波 电压低 和 DC-DC 变换效率高 等 特点 。 此外，该 系统 还具有过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。 关键字： DC- DC， 整流滤波 ， 脉宽调制 ， A/D 采集 ， D/A 转换 Abstract： The stabilized voltage switching supply is designed and manufactured by DC-DC power transfer with isolation and feedback. The supply includes rectification and filtering circuit, DC-DC transfer unit, controller controlling circuit and liquid crystal display module. The swiching supply is controlled by pulse width modulation IC UC3843. The output voltage can be regulated step by step by a microcontroller, a key and a D/A converter. The output voltage and current of the switching supply are collected by a A/D converter and displayed in Nixie tubes. The switching supply have some advantage such as wide output voltage, low noise ripple, high transfer efficiency. In addition, the swiching supply can realize current foldback. Keyword： DC-DC transfer, rectification and filtering, , microcontroller, A/D collecting data， D/A converting 一、 方案论证 图 1 为开关电源系统的结构图，从图中可以看出，系统分为三个部分：电路电源、控制回路和显示设定部分。 隔 离 变 压 器整 流 滤 波 1脉 宽 调 制（ P W M ）功 率 推 动 电路 ( M O S F E T )过 流 保 护光 电 隔 离电 压 取 样 及 调 整 整 流 滤 波 2单 片 机L C D键 盘D / A 转 换A / D 转 换电 流 取 样电 流 放 大开 关 变 压 器电 压 取 样直 流 输 出- 2 5 . 4 V 2 2 0 V 1 8 V显 示 部 分控 制 回 路电 路 电 源图 1 开关电源 系统 结构 图 显示 nts2 1. DC-DC 主回路拓扑结构 主回路 拓扑结构分为隔离式和非隔离式两种。 非 隔离式拓扑结 构 (图 2 所示 )，只能获得低于输入电压的输出电压 ，而隔离式 单端反激式拓朴结构 (图 3 所示 )的输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原 /付边交错通断 。 其优点就是 路 电结构简单，适用于 200W 以下的电源且多路输出交调特性相对较好。 故我们讯用隔离式的拓扑结构。 TDC RL+_UoUiUbD1D2D3C RTLN1N2N3+ +_UoUiUb图 2 非 隔离式拓扑结构 图 3 隔离式单端反激式拓朴结构 2. 控制方法及实现方案 方案一：采用脉冲频率调制 PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调整范围大，但要求滤波电路 必须 在宽频带下工作。 方案二：采用脉冲宽度调制 PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比 ,控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。 基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用 PWM 调制方式。 3 提高效率的方法及实现方案 针对于 提高效率的问题，我们想出了两种方案。 方案 一 ： 降低 开关变压器次级 的 输出整流管 VD2 的 损耗， 进而提高变换效率。可以 选择肖特基二极管，其正向传输损耗低，而且不存在 快回复整流管的反向回复损耗。 方案二： 使震荡器频率与开关变压器的频率相匹配，可以提高效率。 采用RC 震荡电路 可以 改变震荡频率， 使之与开关变压器的频率相匹配， 达到提高变换效率的目的。 二、 电路设计与参数计算 1. 主回路器件的选择及参数计算 (1) 开关电源集成控制器 相比于其他芯片， UC3843 外电路接线简单，所用元器件少，且性能优越，成 本低，驱动电平非常适合于 MOS 场效应管。 (2) 推动 功率管选择 推动 电路 选择功率 MOSFET 场效应管，因为功率晶体管 是 电流驱动，场效应管是电压驱动，而且开关速度 快 ，对温度不敏感。 本设计需输出的最大功率为90W 左右，同时输入电压为 18V 左右，故 本设计采用 P60NF06 型 MOSFET 场效应管。 (3) 开关 变压器的设计 开关 变压器是一种 以 隔离方式传输能量的电抗器 ，和功率 MOSFET 管串联nts3 而成 。 电流临界连续时原边电感：so ONTP TUL m i n 2m a x2m i n1m i n1 2，其中 Uimino 为 变压器原边输入的最小直流电压， Ts 为 开关周期， P 为输出功率， 为变换效率。 开关 变压器磁芯气隙为：8200 102 BSK TPC S ,B 为铁芯工作 磁感应强度， SC为 铁芯截面积， K 为最小输出功率与额定输出功率之比。 原边绕组匝数为CSLN0811 10 原、副边绕组匝数比为 DON iON UUTT UTNNn 02m a x m i nm a x2112,UD 为 输出整流二极管压降、 U O2 为 副边绕组， N2 为 输出电压。 同理可求得其他匝数比。 磁芯型号 EE12 初级电感量 1.54uH 变压器气隙 .58 变压器初级匝数 2.24 变压器次级匝数 10.04 晶体管耐压 39.94 晶体管电流 52.12 2 控制电路设计与参数计算 控制部分 由 UC3843 产生 的 PWM 波 控制 MOSFET 管 的开关状态，由于MOSFET 管的开关状态使 开关变压器 的初级线圈产生交变电压，开关变压器的次级通过 整流 滤波 电路 输出所需的直流电压，同时通过 TL431 电压调整电路控制光耦回路，返回到 UC3843 的电压检测端，使之达到稳压。 UC3843 的工作频率K H zCRf TT 2.17101101 72.172.1 84 3 效率的分析 及 参数 计算 (1) IO=2A，当 U2 从 15V 到 21V 时， 电压调整率%10022 U UUS OU。 (2) U2=18V， IO 从 0A 到 2A 时， 负载调整率%1002 U UUS OOU(3)DC-DC变换器效率INPP0,其 中OOO IUP ,INININ IUP 。 4 保护电路设计与参数计算 本 设计 具有两级保护功能：单片机软件控制保护和 UC3843 自带保护功能。 (1)在 电源输出 端，单片机利用电流传感器对电流进行取样，经过 LM324放大器的放大作用后，被送入 AD 采集芯片 AD1543 中，转换成数字信号，单片机进行检测，当电流大于设定值时，单片机控制继电器断开负载，以保证电源的正 常工作。 (2) UC3843 正常工作 时， 检测电阻 RS 峰 值电压 由 内部误差放大器控制，满nts4 足SCS R VUI 3 4.1,其中 为 UC 为 误差放大器的输出电压， IS 为 检测电流。 UC3843 的 内部电流测定比较器反相输入端箝位为 1V，最大限制电流 IS=1V/ RS 。在 RS 和 3 脚之间，用 R、 C 组成 一小的滤波器，用于抑制功率管开通时产生的电流尖峰，其时间常数近似等于电流尖峰持续时间。 当动作电流超过 2.5A 时，电源能自动断开负载，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。 5 数字设定及显示电路的设计 如图所示， 单 片机 检测键盘，并把 键值送给 DA 转换芯片 MAX504, 12 位的数字信号被转换成模拟信号，送到电压调整部分，进而设定输出电压。单片机实时利用 TLC1543 芯片进行 AD 采集，将采集到的电压信号转换成 12 位数字信号，并送到 数码管 进行显示。 P 1.01P 1.12P 1.23P 1.34P 1.45P 1.56P 1.67P 1.78R S T9P 3.0( R X D )10P 3.1( T X D )11P 3.2( I N T 0)12P 3.3( I N T 1)13P 3.4( T 0)14P 3.5( T 1)15P 3.6( W R )16P 3.7( R D )17X T A L 218X T A L 119GND20P 2.0( A 8)21P 2.1( A 9)22P 2.2( A 10)23P 2.3( A 11)24P 2.4( A 12)25P 2.5( A 13)26P 2.6( A 14)27P 2.7( A 15)28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0.7( A D 7)32P 0.6( A D 6)33P 0.5( A D 5)34P 0.4( A D 4)35P 0.3( A D 3)36P 0.2( A D 2)37P 0.1( A D 1)38P 0.0( A D 0)39V C C40A T 89C 51U112M H zY122PC122PC2+ 5VRSRWC S 1C S 2WRRD+10UC3+ 5V+ 5VCEB I P O F F1D I N2C L R3S C L K4CS5DOUT6DGND7AGND8R E F I N9R E F O U T10V S S11VOUT12VDD13R F B14M A X 504U210uFC 10OUTD I NS C L KC S 504+ 5VS1S2S3S4C L KINCSP 3.0A01A12A23A34A45A56A67A78A89GND10A911A 1012R E F -13R E F +14CS15D A T A O U T16A D D R E S S17I / O C L K18E O C19V C C20T L C 1543U3 + 5VC S SD A T A 1ADDRC C L KC C L KADDRD A T A 1C S SP 0.0P 0.1P 0.2P 0.3P 0.4P 0.5P 0.6I N 2R E S 2R6R E S 2R7DIANOUTP 3.4图 7.软件 部分 设计 单片机系统 流程图如图所示 。 nts5 系 统 初 始 化开 始调 用 显 示 子 程 序调 用 采 样 子 程 序调 用 过 流 子 程 序步 长 减 1调 用 步 长 加 1 处 理 子 程 序调 用 步 长 减 1 处 理 子 程 序设 定 输 出 电 压 增 加设 定 输 出 电 压 减 小调 用 输 出 电 压 增 加 处 理 子 程 序步 长 加 1调 用 输 出 电 压 减 小 处 理 子 程 序YNYNYNYN图 系统流程图 三、 测试方法与数据 1. 测试方法 将 各电路模块连接起来，先输入 18VAC，用万用表的电压档测量输出电压的可调范围；再用电流档测试最大输出电流；使输出电流固定为 2A，调整 U2 从15V 到 21V，用万用表的电压档测量出 UO 变化 范围；使 U2 固定为 18V，调整 IO从 0A 到 2A，用万用表的电流档测量出 UO 变化 范围； 使 U2=18V， UO=36V， IO=2A,利用示波器读出纹波的峰 峰值；使 U2=18V， UO=36V， IO=2A，利用万用表的电压档测量出 UIN 再用电流档测量出 IIN 。 2. 测试 仪器 MY-65 数字万用表 DS 5062CA 示波器 负载电阻 RL=50 nts6 双路可跟踪直流稳压电源 3. 测 试 数据 四、 测试结果分析 (1) 输出电压可调范围。整机的输出电压可调范围是 25 37V,达到并超过了题目 标准 。 (2) 最大输出电流。整机的输出电流最大达到 2.5A，达到并超过了题目要求。 (3) 电压调整率。 整机的电压调整率是 0.16%，达到了发挥要求。 (4) 负 载调整率。 整机的 负载调整率 是 0.27%，达到了发挥要求。 (5) 纹波电压 ，测量值是 205mV. (6) DC-DC 变换效率 ,整机效率是 70.2%，达到了基本要求，但里发挥要求有一定的距离，因为时间有限，没能来的及调整。 实测数据 计算 值 基本 指标 发挥指标 说明 Uo可调范围 25V 37V - 30V 36V - 最大输出电流 2.5A - 2 A - 电压调整率 25.01 25.02 0.16% 2% 0.2% %1 0 01521 01.2502.25 负载调整率 24.90 24.95 0.27% 5% 0.5% %10018 90.2495.24 Uopp(V) 205 mV - 1V - 变换效率 5.71A, 17.95V 70.2% 70% 85% %10095.1771.5 236 nts 目录 1 前言 . 2 2总体方案设计 . 3 2.1 方案一 . 3 2.2 方案二 . 4 2.3 方案选择 . 5 3单元模块设计 . 5 3.1 单元模块 功能介绍 . 5 3.1.1 辅助电源部分设计 . 5 3.1.2 主要电源部分设计 . 7 3.1.3 保护电路部分设计 . 7 3.1.4 继电器驱动部分设计 . 8 3.1.5 输出电压比较部分设计 . 9 3.1.6 编码译码部分设计 . 9 3.2 电路 设计及 参数计算 . 10 3.3 特殊器件介绍： . 11 3.4 各单元模块连接 . 16 4系统 调试及结果分析 . 17 5设计总结 . 17 【参考文献】 . 18 6 系统原理图 . 19 nts 2 1 前言 可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。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、稳压等变换为所需的直流 电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。 现代电子设备中使用的直流 稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。 所谓 线性稳压电源 就是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的最主要的缺点是变换效率低，一般只有 35%60%左右。开关稳压电源的开关管工作在开关状态，其主要的优越性就是变换效率高，可高达 70%95%。目前，计算机、通信设备、雷达、电视及家用电器等现代电子设备中的稳压电源已基本采用了开关稳压电源，因此，下面将介绍开关稳压电源的设计。 nts 3 2总体方案设计 2.1 方案一 该方案是通过 变 压器变压，再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电，在通过稳压器的稳压得到较稳定的电压，由于稳压器当输入电压固定时只能在它的电压差范围内调节输出电压，、所以要在调出电压差的范围时自动调档，这是通过 两个比较器将输出电压和基准电压进行比较， 再 通过计数器的计数功能控制继电器控制器的输入情况来判断输出电压的大小在哪个范围，然后进行自动调档 。最后将稳压器的输出电压流经保护电路，最后输出。 如图 2.1。 图 2.1 变压器 整流 滤波 稳压 保护 电路 两个比较器 交流电 220V/50HZ 计数器 继电器控制器 nts 4 2.2 方案二 该方案 也 是通过 变压器变压，再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电，在通过稳压器的稳压得到较稳定的电压，主要是自动换档这一单元有所改变，该方案的这一单元的原理是：将稳压器输出的电压通过六个比较器和基准电压进行比较，将得出的结果通过编码器、译码器得出有效的二进制码，接着通过继电器控制器控制继电器自动调节档位。最后将稳压器的输出电压流经保护电路输出 ，如图 2.2。 图 2.2 交流电 220V/50HZ 变压器 整流 滤波 继 电 器控制器 稳压 保护电路 六个比较器 编码器 译码器 nts 5 2.3方案选择 方案 一的优点在于所用的器件较少 ,但由于用计数器给继电器控制器有一个缺点 :当电源一开始就往下调 ,要是不置数的话 ,往下就不能计数 ,但如果置数的话 ,在方案上有点困难 ;方案二虽然元器件多点但它能完整的完成自动调档功能 ,并且思路简单明了 ,容易让人理解并不会出什么错误 ,元器件又好解决 .所以我选用第二中方案 。 3单元模块设计 3.1 单元模块功能介绍 3.1.1辅助电源部分设计 该部分的功能是提供主要电源部分所使用的芯片 的驱动电压 和用来作为基准电压 。 12J23D21 N 4 0 0 7D41 N 4 0 0 7D31 N 4 0 0 7D51 N 4 0 0 7C 1 1in12o u t3IC 37 8 0 5C 1 3 C 1 5R 1 1F U S EVi Vo图 3.1.1 辅助电源 +5V 该电源提供稳定的直流电源 +5V，它的主要功能是提供给比较器、译码器和编码器的驱动电压 +5V。 如图 3.1.1。 nts 6 12J23D21 N 4 0 0 7D41 N 4 0 0 7D31 N 4 0 0 7D51 N 4 0 0 7C 1 1 C 1 3 C 1 5R 1 1F U S Ein12o u t3IC ?7 8 1 2Vi Vo图 3.1.2 辅助电源 +12V 该电源提供稳定的直流电源 +12V，它的主要功能是提供 给 2803 驱动电压+12V和提供比较器的基准电压。 如图 3.1.2。 该电源主要通过整流、滤波和稳压三部分构成，起部分功能如下： 桥式整流电路： 在 U2 的正半周， a 点的电位高于 b 点的电位， D1、 D3 导通， D2、 D4 截止，电流自 a端经 D1， RL和 D3回到电源的 b端；在 U2的负半周， b点 的电位高于 a点的电位， D2、 D3 导通， D1、 D3 截止，电流自 b 端经 D2、 RL 和 D4 回到电源的a 端。与半波整流电路相比，在 U2、 RL 相同条件下，输出的只电流、电压都提高一倍；电流脉动程度减小；变压器在正、负半周都有对称的电流流过，既得到充分利用，又不存在单磁化的问题，但需要 4个整流二极管，线路稍复杂。与全波整流相比，虽然多用了 2个整流二极管，但反向耐压低了一倍，变压器次级少了一圈，综合成本低于全波整流电路。 电容滤波电路 电容滤波电路的特点： （ 1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边的有效值 I2=1.11IL，而有电容滤波时 I2=（ 1.5 2） IL。 （ 2）负载平均电压 VL 升高，纹波（交流成分）减小，且 RLC 越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取 RL*C（ 3-5） T/2（式中 T为电源交流电压的周期）。 nts 7 （ 3）负载直流电压随负载电流增加而减小。 VL随 IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图所示。 电容滤波电路简单，负载直流电压 VL 较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，适用于 负载电压较高，负载变动不大的场合。 3.1.2 主要电源部分设计 C13 3 0 0 u FC21 0 4IN3ADJ1O U T2IC 1L M 3 1 7R25kC51 0 u FR12 4 0C42 2 u FC30 .112J1D11 N 4 0 0 7D21 N 4 0 0 7D31 N 4 0 0 7D41 N 4 0 0 7F1F U S EVoVi图 3.1.3可调电源部分 该部分通过三端可调集成稳压器实行对电压的调节，当调节电位器 R2 时，电压就会随着电阻的阻值变化而变化。 3.1.3保护电路部分设计 R?R1R?R1T?B D 1 3 9T?B F 2 5Vi Vo图 3.1.4 保护电路 nts 8 如图 3.1.3， 该保护电路采用场效应管的功能，其工作原理如下：当电源输出短路时，场效应管 VT2的栅源极变成等电位而导通，其漏源极就会分去调整管VT1的基极电流达到减小调整管导通过电流的作用， R2为场效应管栅极的保 护电阻。选用场效应管时应使其导通电压降（漏源极间的电压）小于调整管发射结导通电压降。 3.1.4继电器驱动 部分设计 J D Q ?J D Q -T 7 1J D Q ?J D Q -T 7 1J D Q ?J D Q -T 7 1J D Q ?J D Q -T 7 1J D Q ?J D Q -T 7 11234567J?C O N 7IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88COM9DIODE10OUT811OUT712OUT613OUT514OUT415OUT316OUT217OUT118IC ?U L N 2 8 0 3AB图 3.1.4 继电器驱动 该部分的设计 主要利用继电器的特殊功能：当继电器两端有电压时，继电器则导通，反之继电器就断开 。继电器用 2803 芯片驱动， 如图 3.1.4 所示，可知 A，B 两端接到整流部分， 2803 输入端接译码部分。当译码信号传给 2803 时，它即nts 9 将判断 那端输出高电平，接到这端的继电器导通，即与变压器的一档位接通 ，起到换挡作用。 3.1.5 输出电压比较部分设计 R?R1R?R1R?R1R?R1R?R1V C C32184U ? A1 4 5 832184U ? A1 4 5 832184U ? A1 4 5 832184U ? A1 4 5 832184U ? A1 4 5 8G N DR?R1R?R1542312U ? AC A 1 3 9图 3.1.6 电压比较 该部分的原理主要是利用对输出电压与基准电压进行比较从而判断 输出电压在哪个范围，由此得出比较信号，将它传给编码器编码。如图 3.1.5 可知，六个比较器的输出端接编码器，输入端接的基准电压。此基准电压是通过 +12V 的辅助电源供给的。比较器的原理是：当输入电压比基准电压高时输出高电平，而当输入电压比基准电压低时则输出低电平。 3.1.6 编码译码部分设计 nts 10 01011121231341526374EI5EO15A9B7C6GS14U?7 4 L S 1 4 8G N DG N DA10B13C12D11Q03Q114Q22Q315Q41Q56Q67Q74Q89Q95U?4 0 2 8图 3.1.7 编码译码 如图 3.1.6所示，编码器的输入 端接比较器的输出端，在此编码器通过对输入信号的编码并传给译码器，通过译吗器的译码将输出信号传给 2803 控制继电器。 3.2 电路参数计算 3.2.1 辅助电源参数计算 1.因为 Vi-Vo=2.5V，所以 +5V 稳压电源 Vi 应大于 2.5V+5V=7.5V， +12 稳压电源Vi应大于 2.5V+12V=14.5V。 2.因为 Vi=(1.11.2)Vj,所以 Vj=Vi/(1.11.2).那么 +5V 稳压电 源 Vj 6.25V, +12稳压电源 Vj 12.08V。 3.考虑到电解电容并不是非常大，稳压输出的稳定， +5V稳压电源交流电压应大于 6.6V， +12稳压电源交流电压应大于 12.6V。 4.因为二极管有正向压降， +5V 稳压电源交流电压应大于 6.6+0.7 2=8V， +12稳压电源交流电压应大于 12.6+0.7 2=14V。 5.考虑到交流电源电压的波动，在市网电压为 200V 时也能正常工作，则有200/220+Vj，所以 +5V稳压电源交流电压应大于 8.8V， +12稳压电源交流电压应nts 11 大于 14.8V。 6.交流变 压器副边应选取的电压为： +5V 稳压电源交流电压为 9V， +12V 稳压电源交流电压为 15V。 3.2.2 主要电源参数计算 1.Vi-Vo 2.53V且 Vi-Vo 40V。 2.Vo=Vre(1+R2/R1)+Iadj R2,其中 Vre=1.25,Iadi=100uA 非常小可以忽略，所以 Vo=1.25(1+R2/R1)。 3.R2的取植范围为 120240欧姆之间。 4.1.25V Vo 37V,电流小于 1.5A，保护电流为 2.2A，最大耗散功率为 20W。 3.2.3 元器件的选择 1.假设负载电流为 500mA， 电源电压的频率为 50HZ，则 T=0.02S，电容 C【（ 35）T/2】 /RL,耐压植应大于 1.42 Vj,即 1.42 Vj 250/220。（ 250/220 为市网电源电压过高时的情况） 当输出电压为 5V时 C 30005000uF，耐压植应大于 14.5V。 当输出电压为 12V 时 C 12502083uF,耐压植应大于 24.1V。 2.二极管应承受的最大反向电压均为 V2的最大植，即 Vrm=1.414V 当输出电压为 5V时，二极管承受的电压为 1.414 9=12.726V 当输出电压为 12V 时，二极管承受的电 压为 1.414 15=21.21V。 3.3 特殊器件介绍： LM317 器件介绍 +-AA1YFT1B D 1 39R1R2基准电压 1 .2 V电流源I电流源 1nts 12 它的内部电路有比较器、偏置电路（图中未画出）、恒流源和带隙基准电压Vref 等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约 1.2V）接至比较放大器的同向端和调整端之间。若接上外部的调整电阻 R1、 R2后，输出电压为 V0=Vref+(Vref/R1+Iadj)R2 =Vref(1+R2/R1)+IadjR2 LM317的 Vref=1.2V,Iadj=50uA,由于调整端电流 IadjI1,，故可以忽略，上式又可简化为 VO=Vref(1+R2/R1) ULN2803器件介绍 IN 11IN 22IN 33IN 44IN 55IN 66IN 77IN 88C O M9D IO D E10O U T 811O U T 712O U T 613O U T 514O U T 415O U T 316O U T 217O U T 118IC ?U L N 2 80 3nts 13 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 当输入段 IN1 为高电平，其余为低电平时，输出端 OUT1 为低电平，其 余威高电平，以此类推，输入端为高电平时，对应的输出端为低电平， 以此就可以控制变压器的档位。 nts 14 CD4208 编码器 原理图 编 nts 15 编 码器 01011121231341526374EI5EO15A9B7C6GS14U?7 4L S 1 48该编码器有 8 个信号输入端， 3 个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端 EI，输出使能端 EO 和优先编码工作状态标志 GS。 当 EI=0 是编码器工作；而当 EI=1 时，则不论 8 个输入端为何状态， 2 个输出端均 74148 优先编码器 为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出高电平有效的情况。当 EI 为 0，且至少有一个输入端有编码要求时， 优先编码工作状态标志 GS 为 0，表明编码器处于工作状态，否则为 1。由功能表可知，在 8 个输入端均无低电平输入信号和只要输入 0端有低电平输入时， A2A1A0均为 111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由 GS状态加以区别，当 GS=1 时，表示 8个输入端均无低电平输入，此时 A2A1A0=111 为非编码输出； GS=0 时， A2A1A0=111表示响应输入 0端为低电平时的输出代码。 nts 16 功能表 3.4 各单元模块连接 输入 输出 EI 0 1 2 3 4 5 6 7 A2 A1 A0 GS EO H H H H H H L H H H H H H H H H H H H L L L L L L L H L L H L L H L H L L H H L H L L H L L H H H L H H L H L L H H H H H L L L H L L H H H H H H L H L H L L H H H H H H H H L L H L L H H H H H H H H H H L H nts 17 主要电源部分提供可调稳定电压，通过自动控制部分控制主要电源
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