多路开关直流稳压电源

摘摘 要要 几乎所有电子设备中都需要稳定的直流电源 但是一般的直流稳压电源只能 输出一路稳压电源 很浪费且不方便 随着电子技术的讯速发展对电源的要求越 来越高 针对老式电源只能输出一路稳压电源的缺点 提出了基于集成稳压器可 以输出多路电源的多路稳压电源变压器 本设计的直流稳压电源是将电网输入的 220V 的交流电压变成整流电路所需 要的电压 再由单相桥式整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压 然后由电 容滤波器将脉动直流电压滤除纹波 变成纹波小的电压 最后通过稳压器输出稳 定电压 5V 12V 12 24V 和正可调的直流电压 根据多路稳压电源的设计要 求 本课题采用了三端集成稳压器 78 系列 79 系列等设计了一个可固定输出 5V 12V 12 24V 并能通过 LM317 实现输出正可调的直流稳压电源 设计中 主要通过硬件来完成其稳压电源的要求 采用模拟的分立元件 通过电源变压器 整流和滤波电路以及稳压电路 实现稳压电源稳定输出 5V 12V 24V 并能可 调输出 1 2 24 电压 本课题设计的稳压电源具有成本底 体积小 重量轻 使用方便和工作可靠 等优点 被用于各种晶体管仪器 仪表 教学 自动控制系统与设备的直流电源 关键字关键字 变压器 整流桥 滤波 稳压器 目 录 前言 第第 1 1 章章 方案论证方案论证 01 1 1 设计要求 01 1 1 1 基本要求 01 1 1 2 扩展要求 01 1 2 方案比较 01 1 2 1 总体设计方案比较 05 1 2 2 各模块方案选择和论证 06 1 3 各元器件参数计算及选择 06 1 4 1 电源变压器的选择 06 1 4 2 集成稳压器电路形式的选择 06 1 4 3 整流二极管及滤波电容的选择 07 第第 2 2 章章 系统的硬件设计与实现系统的硬件设计与实现 08 2 1 系统硬件的基本组成 08 2 2 电路设计 08 2 2 1 降压 整流 滤波 08 2 2 2 稳压输出 10 第第 3 3 章章 系统测试系统测试 13 3 1 测试仪器 13 3 2 指标测试 13 3 3 系统实现的功能 16 结束语结束语 参考文献参考文献 附录附录 1 1 元器件清单 附录附录 2 2 总电路图 致谢致谢 前 言 随着电子技术迅速发展 对电子设备的电源要求越来越高 几 乎所有电子设备中都需要稳定的直流电源 稳压电源具有体积小 重 量轻 使用方便和工作可靠等优点 所以被广泛的作为各种晶体管仪 器 仪表 教学 自动控制系统与设备的直流电源 精密稳压 稳流 电源还可作为检定某些电工仪表用的稳压 稳流电源 因此 直流稳 压电源是科研 生产 教学和维修等单位常用的必备仪器 目前国产直流稳压电源按集成稳压器种类主要可以分成两大类 稳压器中调整元件工作在线性放大状态的称为线性稳压电源 调整元 件工作在开关状态的称为开关稳压电源 本课题做的是开关直流稳压电源 根据课题的设计要求 采用 了由三端集成稳压器 78 系列 79 系列设计了一个可固定输出 5V 12V 12 24V 并能实现输出正可调的稳压电源 本课题可以 用在教学实验中小型设备的电源 还可以做为日常生活中小型电子设 备供电如收音机 随身听等的电源 第 1 章 方案论证 1 1 设计要求 1 1 1 基本要求 1 稳压电源 在输入电压 220 22 V 50 1 Hz a 可固定输出 5V 1 5A 12V 0 5A 24V 0 5A b 电压调整率 Sv 0 2 c 纹波电压 mvU p op 5 1 1 2 扩展要求 1 输出电压可调范围为 1 2V 24 2 具有过流 过压保护功能 1 2 方案比较 1 2 1 总体设计方案比较 稳压电源的设计可以通过几种方法实现 根据具体的设计要求 通过比较论 证来确定我们到底要用哪个方案 方案一 采用模拟的分立元件 通过电源变压器 整流滤波电路以及稳压电 路 实现稳压电源稳定输出 5V 12V 24V 并能可调输出 1 2 24 电压 如图 1 1 所示 但由于模拟分立元件的分散性较大 各电阻电容之间的影响很大 因 此所设计的指标不高 而且使用的器件较多 连接复杂 体积较大 供耗也大 给焊接带来了麻烦 同时焊点和线路较多 使成品的稳定性和精度也受到影响 图 1 1 直流稳压电源基本组成框图 方案二 采用 FPGA 作为控制器的简易数控直流电源设计方案如图 1 2 所示 设计方案采用 FPGA 作为控制器完成数控部分 键盘 显示器接口控制 输出部 分采用 D A0832 与运算放大器 UA714 输出电压波形由 FPGA 的输出数据控制 不 仅可以输出直流电平 而且只要预先生成波形的量化数据 就可以产生多种波形 输出 显示数据由 FPGA 提供 利用软件和硬件结合的方法来设计稳压电源 其 精度和稳定性都有所提高 但是 采用 FPGA 来设计的成本很高 性价比很差 输出 变压整流调整管 系统电源 比较放大电源取样 DAC 键盘扫描BCD 计数 BCD LED 识别 BCD HED 图 1 2 采用 FPGA 的简易数控直流电源设计方案 方案比较 以上两种方案均可以达到输出稳压电源的要求 方案一是利用纯 硬件来实现其功能的 方案二是以 FPGA 为核心控制器件 采用软硬件结合来实 现的 方案一的成本要比方案二低很多 性价比也比方案二好很多 但是方案一 的稳定性和精度都没方案二要高 而且方案二还可以用 Modelsim XE 5 3d 软件 进行仿真和调试等 设计人员可以充分利用 VHDL 硬件描述语言方便的编程 提 高开发效率 缩短研发周期 易于进行功能的扩展 实现方法灵活 调试方便 修改容易 但考虑到稳压电源的实用性 虽然方案一的精度和稳定度不及用 FPGA 来实现的精度和稳定度高 但是用于做稳压电源已足够了 我们采用第一种方案来 进行稳压电源的设计 1 2 2 各模块方案选择和论证 1 变压器选择模块 由于设计中要求可以输出正 负稳定电压 则对于每一种需要固定输出的电 压和可调电压 都必须由输出电压极性相反的两片集成稳压器实现 而两芯片输 入端需要分别加上极性相反的电压 所以在选择变压器时 有两种方案 方案一 选用两个变压器 然后把一个变压器的负极和另一个变压器的正极 连接起来作为参考地 即电势为 0 如图 1 2 1 a 所示 方案二 选用一个带中间抽头的变压器 从中间抽头引出一条线作为参考地 如图 1 2 1 b 所示 方案比较 由于变压器的体积比较大 所以在电路中应尽量避免使用太多变 压器 另外带中间抽头的变压器也非常常见 经分析选用方案二 a 带中间抽头的变压器 b 普通变压器 图 1 2 1 变压器的基本连接 2 整流电路模块 整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向 的直流电 但是这种直流电的幅值变化很大 它主要是通过二极管的截止和导通 来实现的 常见的整流电路主要有全波整流电路 桥式整流电路 倍压整流电路 由于单相桥式整流电路的纹波电压小 输出电压比较高 晶体管所承受的最大反 向电压较低 同时因电源变压器在正 负半周内部有电流供给负载 电源变压器 得到了充分的利用 效率高 所以我们选取单相桥式整流电路实现设计中的整流 功能 单相桥式整流电路如图 1 2 2 所示 图 1 2 2 单相桥式整流电路 3 滤波电路模块 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波 对于滤波电路的选择有以下两种 方案 方案一 采用电感滤波电路 由于电感在电路中有储能的作用 在电路中可 以串联电感 当电源供给的电流增加时 它把能量存储起来 而当电流减小时 又把能量释放出来 使负载电流比较平滑 即电感有平波的作用 在电感滤波电 路中 整流管的导电角较大 峰值电流很小 输出特性比较平坦 但是由于铁心 的存在 笨重 体积大 容易引起电磁干扰 一般用只用在低电压 大电流场合 方案二 采用电容滤波电路 由于电容在电路中也有储能的作用 并联的电 容器在电源供给的电压升高时 能把部分能量存储起来 而当电源电压降低时 就把能量释放出来 使负载电压比较平滑 也就是电容具有平波的作用 电容滤 波电路简单 负载直流电压比较高 纹波也较小 适用于负载电压较高 负载变 动不大的场合 也减轻了电路设计和实际焊接的工作 图 1 2 3 a b 为电 容滤波电路 c 为电感滤波电路 基于以上的分析 选用方案二 a 型滤波电路 b 倒 型滤波电路 c 型滤波电路 图 滤波电路的基本形式 4 稳压电路模块 稳压电路主要用于提供更加稳定的直流电源 考虑整流滤波电路的输出电压 和理想直流电源还有相当的距离 主要存在两个方面的问题 第一 当负载电流 变化时 由于整流滤波电路存在内阻 因此输出直流电压将随之发生变化 第二 当电网电压波动时 整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关 因此输出 直流电压也响应的发生变化 因此 在系统中采用三端集成稳压器来实现其功能 三端集成稳压器的组成框图如 1 2 4 所示 输出端 U1 输入端 启 动 电 路 基 准 电 源 调整管 放大电路 保护电路采样 电路 U0 图 1 2 4 三端集成稳压器的组成 其中 调整管接在输入端与输出端之间 当电网电压或负载电流波动时 调 整自身的集 射压降使输出电压基本保持不变 放大短路将基准电压与从输出端 得到的采样电压进行比较 然后再放大并送到调整管的基极 放大倍数越大 则 稳定性能越好 由于三端集成稳压器是串联型直流稳压电路的一种 而串联型直 流稳压电路的输出电压与基准电压成正比 因此 基准电压的稳定性将直接影响 稳压电路的输出电压的稳定性 采样电路由两个分压电阻组成 它将输出电压变 化量的一部分送到放大电路的输入端 启动电路的作用是在刚接通电流输入电压 的时 使调整管 放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流 而当稳压电路 正常工作时启动电路被短开 一面影响稳压电路的性能 保护电路主要起到限流 保护 过热保护和过压保护 1 4 各元器件参数计算及选择 1 4 1 电源变压器的选择 变压器副边输出电压 vvUU i 08 291 1 321 1 min2 变压器副边输出电流 AII o 5 1 max2 故取 I2 2A 变压器副边输出功率 wUIP60 222 变压器的效率为 0 7 则原边输入功率 wPP 6 85 21 由上分析 副边输出电压可取 40V 输出电流为 2A 为留有余地 一般选功率为 100W 的变压器 1 4 2 集成稳压器电路形式的选择 7800 7900 系列集成稳压器由于输出电压决定于集成稳压器为使电路正常工 作 要求输入电压 U1 比输出电压 Uo 至少大 2 5 3 V 输入端电容 C1 用以抵 消输入端较长接线的电感效应 以防止自激振荡 还可抑制电源的高频脉冲干扰 一般取 0 1 1 F 输出端电容 C2 C3 用以改善负载的瞬态响应 消除电路的 高频噪声 同时也具有消振作用 V 是保护二极管 用来防止在输入端短路时输 出电容 C3 所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件 1 4 3 整流二极管及滤波电容的选择 整流二极管选 1N4001 其极限参数为 而 vURM50 vU26 562 2 因为 而 I I o O V U U U U S 3 102 5 40 24 VpopiO SmvUvUvU 所以v SU UU U VO ipop i 2 4 滤波电容为 电容 C 的耐压应大于 F U I U tI C i o i C 4765 max vU26 562 2 所以我们选用 4700的电容F 第 2 章 系统的硬件设计与实现 2 1 系统硬件的基本组成 本题是一个可实现固定输出和可变输出的稳定电源 在设计中运用了降压整 流滤波技术和稳压输出技术 所以系统可分为降压整流滤波部分和稳压输出电路 部分 降压整流滤波部分 系统利用带中间抽头的变压器 实现降压并同时输出正 负电压的作用 然后通过单相桥式整流 电容滤波电路 输出纹波较小的直流电 压 驱动下一级的稳压电路 稳压电路部分 采用三端集成稳压器 LM78XX 和 LM79XX 实现可固定输出稳定 电压的要求 采用三端可调式集成稳压器 LM317 和 LM337 实现正 负可调电压的 稳定输出 2 2 电路的设计 2 2 1 降压整流滤波 1 由于实际的输入电源都是 220V 的交流电 而在稳压电路中所有的芯片 的输入电压一般是 10V 40V 的直流电压 所以为了能驱动稳压器 我们需要把输 入的 220V 交流电压转换为低压直流电 在本设计中采用了一个带中间抽头的变 压器和两个单相桥式整流 电容滤波电路来实现 具体电路如图 2 2 1 所示 1 2 3 4 BRIDG E1 TF1 c1 0 33uF C2 0 33uF R1 1k R2 1k C4 2200uF C3 2200uF F1 FUSE1 220V 出出出出出出 出出出出出出 VD4VD1 VD2VD3 图 2 2 1 降压整流滤波电路 首先 当接通电源后 经过变压器 T1 K1 220V 40V 将交流电网电压 u1 如图 2 2 2 a 所示 变成整流电路要求的交流电压 u2 U2sinwt 其中2 U2 U1 K1 220V 220V 40V 27V 其中 K1 为变压器的变比 u2 波形如图 2 2 2 b 所示 变压器输出电压 u2 通过单相桥式整流 TF1变换为单方向的脉动电压 u3 在整流过程中 四个二极管 两两轮流导通 当 u2为正半周时 二极管 VD1 和 VD3 因加正向电压而导通 VD2 和 VD4 因加反向电压而截止 反之 当 u2 为负半周时 二极管 VD2 和 VD4 因加 正向电压导通 而二极管 VD1 和 VD3 因加反向电压而截止 从而实现了输出单向 的脉动电压 u3 u3波形如图 2 2 2 c 所示 由于经整流后的单方向脉动电压包 含着很大的脉动部分 所以在整流桥的后面接入了大小为 3 3u 和 2200u 的电容 来尽可能的将脉动部分滤掉 得到纹波较小的电压 u4 滤波后电压 u4波形如图 2 2 2 d 所示 也就是输出的正向电压 u5 此外 大小为 1K 的 R1 R2是为了 防止产生自激而设定的 保险丝 F1 是为了防止电路过大而设定的 起到过流保 护的作用 允许通过的最大电流是 2A 同理 可以得出反向输出电压 u5 u5 c b a t u4 40V t u3 40V t u2 40V t u1 V t 图 2 2 2 各部分电压波形图 e d 2 2 2 稳压输出 由降压整流滤波部分所输出的正向电压 通过集成稳压管 LM7805 LM7812 和 LM317 可分别输出 5V 12V 24V 和 1 2 24V 可调电压 而由降压整流滤 波部分所输出的负向电压 通过集成稳压 LM7912 输出的负向电压 12V 稳定电压 在稳压输出部分主要采用集成稳压管来实现题目所要求的功能 下面简单介 绍一下题目中所用到的三端集成稳压管 1 三端固定输出集成稳压器 设计中所使用的 7800 系列和 7900 系列便是 三端固定输出集成稳压器 它们的使用十分方便 只有三个引出端 输入端 输 出端和公共端 电路符号如图 2 2 3 所示 a LM7800 系列 b LM7900 系列 图 2 2 3 三端集成稳压器的电路符号 7800 系列的工作原理方框图如图 2 2 4 所示 由于 7800 系列三断集成稳压 器的所有主要部分都已集成在管心上 通常在使用时需接到整流滤波电路之后 而不必外接其他元件即可工作 这样就可简化电路板的设计 减小电源部分的体 积 7900 系列是负压输入 负压输出 工作原理和 7800 系列基本相同 输入 基准电压 比较放大 器 过热保护 过流及安全 区保护 调整元件 取 样 电 路 地 启动及偏 置电路 图 2 2 4 78 系列三端集成稳压器内部方框图 输出 图 2 2 5 为两种稳压电源的应用电路 图 a 为 78 系列的应用电路 可实 现正向的固定输出 图 b 为 79 系列的应用电路 可实现反向的固定输出 在 两电路中 输入端电容 Ci用以旁路高频干扰脉冲及改善纹波 输出端所接电容 C0起改善瞬态响应特性 减小高频输出阻抗的作用 一般输出端无须接入大电解 电容 当在输出端使用大电容 且输出电压高于 6V 时 应在输入 输出端口跨 接保护二极管 以防输入端短路时 输出电容通过稳压器进行放电使稳压器损坏 在输出端 地端口跨接保护二极管 可以防止输出端与地短路时 Co 上的电压损 坏稳压器 从而起到了短路保护的作用 此外 78 系列和 79 系列稳压器自身也 具有完善的短路和限流保护 过热保护和调整管安全工作区保护电路 因而它的 工作是比较可靠的 a 78 系列 b 79 系列 图 2 2 5 三端固定输出集成稳压器的典型应用电路 2 三端可调式稳压器 LM317 这个系列的三端集成稳压器内部由恒流源 基准电压 误差放大器 调整管和保护电路等组成 其内部框图如图 2 2 6 所示 输出电压可在 1 2V 24V 范围内可调节 其他的电气技术指标 封装形式与固定 输出三端集成稳压器基本相同 IADJ 50uF Ui 1 25V 调整管 基准电 压 误差 放大器 保护电 路 恒 流 源 图 2 2 6 LM317 系列内部组成框图 三端可调输出集成稳压器 LM31 的典型应用电路如图所示 输出电压 U0可通 Uo 过电位器 RP2来调节 在忽略调整端电流 Iadj 一般为 0 005 0 1mA 时 U0与 RP2的关系为 1 25 1 1 2 0 R RP U 式中 1 25 是集成稳压器输出端与调整端之间的固有参考电压 UREF 此电压加 于给定电阻 R1 两端 将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 RP2 电阻 R1 取值 120 240 欧姆 与 RP2并联电容 C2可进一步减小输出电压的纹波 二极管 VD 的作用是防止输出端与地短路时 C2上的电压损坏稳压器 也可以在输入端和输 出端跨接一个二极管 用来防止输入端与地短路时损坏稳压管 RP2之值 可由 输出电压最小值 Uomin和最大值 Uomax 根据式 Uo 1 25 1 RP2 R1 分别求出 RPmin 和 RPmax而确定 一般选用精密电位器 LM317 型稳压器的输出端不接电容也能工 作 但是 由于其放大器是在 1 1 的深度负反馈下工作的 当输出端负载为容 性的某些值时 稳压器有可能出现自激现象 为此 在输出端至地间接一个 1uF 左右的钽电阻 a 输出正电压 第 3 章 系统测试 为了确定系统与题目要求的符合程度 我们对系统中的关键部分用进行了测 试 3 1 测试仪器 测试使用的仪器设备如下所示 1 YB4365 双跟踪示波器 2 数字万用表 3 2 指标测试 稳压电源的技术指标分为两种 一种是特性指标 包括允许的输入电压 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 温度系数及纹波电压等 测试电路如图 3 2 1 这些质量指标的含义 可简述如 下 图 3 2 1 稳压电源性能指标测试电路 1 纹波电压 纹波电压是指叠加在输出电压 U0上的交流分量 用示波器观测其峰 峰值 U0PP一般为毫伏量级 也可以用交流电压表测量其有效值 但因 U0不是正弦 波 所以用有效值衡量其纹波电压 存在一定误差 2 稳压系数及电压调整率 稳压系数 在负载电流 环境温度不变的情况下 输入电压的相对变化引起 输出电压的相对变化 即 Su ii UU UU 0 电压调整率 输入电压相对变化为 10 时的输出电压相对变化量 即 0 0 U U Ku 稳压系数 Su和电压调整率 Ku均说明输入电压变化对输出电压的影响 因此只 需测试其中之一即 3 输出电阻及电流调整率 输出电阻 放大器的输出电阻相同 其值为当输入电压不变时 输出电压量 与输出电流变化量之比的绝对值 即 0 0 0 I U r 电流调整率 输出电流从 0 变到最大值 Imax时所产生的输出电压相对变化值 即 0 0 U U Ki 输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响 因此也 0 r i K 只需测试其中之一即可 按照图 3 2 1 所示测试电路把做好的稳压电源接如电路 1 在负载电流 环境温度不变的情况下 该改变输入电压 测量实际的输出电压 测量的数据如 表 3 2 1 所示 2 在放大器的输出电阻相同 且输出电压不变时 改变负载的 阻值 记录实际的输出电压和输出电流 测量数据如下表所示 表 3 2 1 正 5V 稳压电源输出电压的稳压系数测试表 实际输 入电压 正 5V 实际输出电 压 5V 电压纹波电压正 5V 电源稳压系数 18V5 042V2 6 mV0 20V5 042V2 8 mV0 22V5 042V3 1 mV0 24V5 042V3 2 mV0 26V5 043V3 4 mV0 0026 28V5 042V4 0 mV0 0026 表 3 2 2 正 负 12V 稳压电源输出电压的稳压系数测试表 实际输 入电压 12V 实际 输出电压 12V 实际 输出电压 12V 电源 纹波电压 12V 电源 纹波电压 12V 电源 稳压系数 12V 电源 稳压系数 18V 12 110V12 002V3 03 600 0005 20V 12 110V12 000V3 44 00 0 0017 22V 12 113V12 003V3 23 90 00250 0027 24V 12 122V12 000V3 23 60 00100 0030 26V 12 124V12 002V4 14 00 00210 0022 28V 12 122V12 006V3 74 20 00230 0045 表 3 2 3 在电阻固定在某一位置时可调稳压电源的稳压系数测试表 实际输出电压正向实际输出 电压 负向实际输出 电压 正向纹波电压负向纹波电压正向稳压系数负向稳压系 数 18V8 982V13 446V2 9 mV4 1 mV0 00040 0033 20V8 982V13 449V 3 1 mV4 3 mV00 0022 22V8 983V13 451V 3 4 mV4 1 mV0 00120 0016 24V8 982V13 449V3 3 mV4 5 mV0 00130 0018 26V8 985V13 453V3 4 mV4 4 mV0 00430 0039 28V8 984V13 151V3 5 mV4 3 mV0 00160 0021 根据上表所示 多档稳压电源可以达到设计的要求 3 3 系统实现的功能 系统实现的功能有 1 固定输出电压 5V 12V 24V 2 输出正可调稳定电压 输出电压的调节范围为 1 2V 24V 3 具有过流及短路保护功能 经过对系统的降压整流滤波部分和稳压输出部分的仿真测试 本设计基本 达到设计制作要求和部分扩展功能 结束语 本系统以三端集成稳压器为核心部件 利用变压器技术 电路整流