模电课程设计╲t正负12V稳压电源的设计.doc

目录第1章 绪论11.1 稳压电源的应用前景与介绍11.2 未来电子技术发展方向11.3 本人的主要工作2第2章 半导体直流稳压电源电路的设计32.1总体框图设计方案如下32.1.1 电路工作原理32.2 电源变压器单元电路的设计42.3 整流单元电路的设计42.4 滤波单元电路的设计62.5 稳压单元电路的设计72.6 整体电路参数的确定与元件的选择7第3章 仿真与制作103.1 multisim仿真软件的简介103.2 仿真电路113. 3 仿真结果113.4 PCB电路板的设计12第4章 结束语13参考文献14附录A 电路原理图15附录B 元件清单16 第1章 绪论1.1 稳压电源的应用前景与介绍 电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分，交流电源一般为220、50HZ电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，如收音机电视机、带微处理器控制的家电设备等都离不开这种电源，直流电源又分为两类：一类是能直接供给直流电流或直流电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等。另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作，而最常用的是能将交流电网电压转换为稳定直流电压的直流电源，可见直流稳压电源在电子设备中起着主要作用，为设备能够稳定工作提供保证。随着农业科学技术的不断发展进步，农业科学研究和农业工程应用实践对高压静电电源的需求逐年增多，对其精度、性能、规格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多新的要求，现有的高压直流电源已经不能满足农业领域中的许多需要，研究和开发适合农业领域要求的多种新型高压直流稳压电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比较显著，市场前景比较光明。1.2 未来电子技术发展方向1. 半导体体生存系统正在发生变化。随着半导体产业数十年的发展，整机制造商和半导体供应商的需求和服务都在发生转变；2. 平台解决方案的重要性和业界的接受程度日益明显可靠、高效率、低功耗是业界对电源系统的永久追求。从目前一些领先电源半导体制造商的解决方案来看，在中、小功率应用中，提高效率、降低成本仍然是主要的作为；而对于大功率应用来看，多相位无疑将成为主流，在服务器、电信设备中的应用中已明显看到这个趋势；3. 可编程技术和器件将与平台半导体解决方案形成更激烈的竞争态势，并促进FPGA/CPLD器件密度的进一步提高，以及面向特定应用的新型器的研发；4. EDA工具和半导体IP成为半导体工业发展的重要支持力量。半导体工艺向90nm以及65nm、45nm直至32nm的进程大大增加了芯片复杂度，而其它需求，如采用CMOS工艺实现模拟和射频电路、DFM、DFT等，对EDA工具提出了更高的要求；5. 模拟器件仍然无处不在。模拟器件仍然无处不在信息加密系统是身份认证、信息保密、信息完整以及信息确认方面的保证。PKI加密算法等，可以提供数据的安全保障，而结合了智能卡和PKI的智能卡存储加密解决方案，通过“卡”和“密钥”的共同使用，可以进一步提高安全的可靠性。同时，生物密钥、量子密钥等其它加密手段也在取得进展。1.3 本人的主要工作（1）拟定电路方案选定变压，整流，滤波，稳压等部分电路；要使输出地电压为，输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%，符合各项要求。（2）计算各部分电路元件的参数，选好元件。（3）运用仿真软件对设计的电路进行仿真。（4）对电路进行相关调试第2章 半导体直流稳压电源电路的设计2.1总体框图设计方案如下2.1.1 电路工作原理直流稳压电源的工作流程如下图2.1.1和 图2.1.2 所示： 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=。电源变压器如下图2 . 2 . 1所示：图2.1.1 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 = 0.9V2/R2 （2.3.3）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 = 0.45V2/R2 （2.3.4）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 C形滤波电路的基本形式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 电容滤波电路上图2.4.2所示为电容滤波电路。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)T/2 （2.4.4）电容滤波负载电压VL与V2的关系： V =（1.1.2）V2 （2.4.5）2.5 稳压单元电路的设计集成稳压器方案：根据课程设计任务书要求：电源输出电压为12V，输入电压为220V，最大输出电流为IL=500mA。因为集成稳压器比较方便，故采用集成三端稳压器7812构成稳压电路，其结构如图2.5.1所示 图2.5.1 7812集成三端稳压器2.6 整体电路参数的确定与元件的选择输入电压的确定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如表2.6.1所示：副边功率P/vA1010-3030-8080-200效率0.60.70.80.85表2.6.1 变压器的效率表根据设计的要求，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12V，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=V1/V2= 220/ 16=13.75 于是可以用变比n为14的功率为8W变压器。整流电路如图2 . 6 . 2所示：图2.6.2 整流桥显然采用整流桥，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。IN4007GP的整流桥参数为：最高反向工作电压700V，额定正向工作电流1A。图2.6.3 滤波部分滤波部分如图2 . 6 . 3所示：滤波电容C可由下式估算： C = tIc/Vip-p Vip-p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 = 1.4*V2 * 1.1 = 1.4 * 16 * 1.1 = 24.64v由任务书技术指标要求可确定滤波电容，C1= C2=1515uF,可见C较大，应选电解电容。且耐压要25V,故滤波电容C取容量为2200uF,耐压为25V的电解电容。稳压部分：稳压部分采用集成稳压器LM7812CT，集成稳压器PJ7912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，输出电压范围为U0=12V和-12V,参数都符合要求。直流稳压电源保护电路：发光二极管的保护电阻选用470K,第3章 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 仿真电路图3.2.1 仿真电路3. 3 仿真结果 图3.3.1 仿真结果仿真的输出结果在12V左右，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。3.4 PCB电路板的设计图3.4.1 PCB电路板第4章 结束语通过这次半导体直流稳压电源的课程设计，让我觉得自己收获颇多，不仅加深了对直流稳压电源电路这一知识点的理解与巩固，而且还让我在实践中学到了一些课堂上不能学到的东西，吸取了同学的一些宝贵经验。深刻体会到课本知识与理论结合的重要性,但同时认识到了自己的一些不足和缺点。要想做出一个符合要求的实物来还是比较难的，并不是自己想象中的那样简单。需要付出很大的努力，不仅要学会去查寻找资料，还需要一定的自学能力，尤其是PCB板的制作，开始