模电直流稳压电源课程设计

模电课程设计说明书课题名称半导体直流稳压电源的设计和测试专业名称学生班级学生姓名学生学号指导老师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12V（或9V/5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为IOMAX500MA，纹波电压VOPP5MV，稳压系数SR5。2、设计基本要求（1）设计一个能输出12V/9V/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）要求绘出原理图，并用PROTEL画出印制板图；（5）在万能板或面包板或PCB板上制作一台直流稳压电源；（6）测量直流稳压电源的内阻；（7）测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；（8）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、调试总结。目录第1章绪论411电子技术的发展趋势412本人的主要工作5第2章半导体直流稳压电源电路的设计621设计方案622电源变压器单元电路的设计723整流单元电路的设计724滤波单元电路的设计925稳压单元电路的设计1126整体电路参数的确定及元件选择13第3章仿真与制作1631MULTISI仿真软件的简介1632仿真电路1733仿真结果及其分析1834PCB电路板的设计2035电路调试与测试21第4章结束语23附录A电路图24附录B元件清单25第1章绪论11电子技术的发展趋势111概括发展历史现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。112现代电子技术的应用领域高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署L992年6月17日“能源之星“计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流直流交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是L不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流2电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置集中式的研制压力,提高生产效率。分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源33V的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等的核心技术。12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12VIOMAX500MA，纹波电压VOPP5MV，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21设计方案（总体框图设计）211电路原理直流稳压电源的工作流程如下图211直流稳压电源的设计电路框图图212直流稳压电源的方框图结合图211、图212，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。22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221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，10KVA05KVA为中功率，05KVA25VA为小功率，25VA以下为微功率。23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231单相桥式整流电路图图231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232单相桥式整流电路电压、电流波形图（231）OAV201SINDUUT负载电压VL的平均值为VL09V22（232）直流电流为IL（233）209LR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（234）RLV2LV式子中的为谐波分量的有效值。R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ID05IL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。24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。2045LVR图241滤波电路的基本形式图241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）。电容滤波电路图图242桥式整流、电容滤波电路图242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TCRINTC（241）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TDRLC（242）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I2111IL而有电容滤波时I2（152）IL（243）为了得到平滑的负载电压，一般取TDRLC35电容滤波负载电压VL与V2的关系V（1112）V2图243桥式整流、电感滤波电路25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2T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UWUE2。图251串联反馈式稳压电路一般结构图图251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VO1（251）REF12REFV输出电压的调节范围动端在最上端时，输出电压最小PMINO122PRREFV动端在最下端时，输出电压最大PRMAXOV12PRREFV图25278L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12V，输入电压为220V，最大输出电流为IL500MA。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253LM7812CT集成稳压器26整体电路的参数确定及元件选择图261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U216V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261变压器的效率表副边功率P/VA101030308080200效率060708085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（1112）V2VC1216192V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N1375于是可以用变比N为14的功率为8W变压器。整流电路图262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ID05IL05500250MA而每个二极管所承受的最大反向电压为VRM2263V2于是整流桥部分采用的是四个型号为1N4007GP的二极管构成。1206图263滤波部分滤波部分滤波电容C可由下式估算CCIPTVA为稳压器纹波电压，T为电容C的放电时间，T05T001SIPVAIC为电容C的放电电流。可取ICIOMAX，滤波电容C的耐压值应该大于。2还有RLC05T42T2（002）004S若考虑电网电压波动10,则电容器承受的最高电压为VCM111416112464V2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VI35V，最大输出电流IO15A，最大耗散功率PD20W，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1A第3章仿真与制作31MULTISIM仿真软件的简介图311MULTISIM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。NIMULTISIM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NIMULTISIM，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NILABVIEW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MULTISIM100，网上最为普遍的是MULTISIM100，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NIMULTISIMV11作为最新版本包含于其中，作为最新版本，NIMULTISIMV11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NIMULTISIMV11的版本。32半导体直流稳压电源仿真电路图321半导体直流稳压电源仿真电路33仿真结果及其分析图331仿真电路的输出结果仿真的输出结果在12V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VI242V，测量此时对应的输出电压VO112023V，再次调节变压器使输入电压减少10，即VI198V时，测量输出电压VO212021V，在测量VI220V时，对应的输出电压VO12022V，于是稳压系数为000080080122498OVISA符合设计要求。图332稳压电源性能指标测试电路接着，按图332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333最大输出电流测量最大输出电流，图333测出负载为24时，输出电流为490158MA，符合设计要求。再测一下纹波测量出的纹波电压差不多为14UV，明显5MV，符合设计要求。IPVA图334纹波电压仿真结果基本符合要求。存在误差的原因一般有一下几点1若纹波电压过大，说明滤波电容的容量太小，我们可以加大滤波电容的容量，或者给电路引入负反馈，使输出电压的纹波成分减少同样分量的值；2若稳压系数过大，原因有一个，就是变压器的副边电压过大，导致输出电压差值大，我们可将变压器的副边电压值调小；3若电流调整率过大，同样亦是变压器副边电压过大所引起的，同样我们将变压器的副边电压值调小；4若电源带负载的能力差，我们可以将变压器的副边电压值调大，使稳压器的输出电压变化范围增大，从而使输出电阻值变小；当然，我们增大了变压器的副边电压同时，也增大了稳压器的输入电压，使最大输出电流变小，但我们总可以调节到一个合适的值，来满足要求。34PCB电路板的设计图341PCB电路板35电路调试与测试（一）在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查（1）、二极管的引脚（或整流桥的引脚）和滤波电容器的极性不能接反，否则将会损坏元器件。（2）、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成故障。（3）、电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。可以用万用表。（二）、直流稳压电源的调整测试一般分为三步进行，空载检查测试、加载检查测试和质量指标测试。（1）将变压器的输出端的正极端断开，用万用表测量变压器的二次交流电压值，其值应符合设计值。（2）变压器的正极输出段接上，而将整流器的正极输出端断开，接通电源，观察电路有无异常。然后用万用表测滤波电路输出电压U1，其值应接近于14U2。否则短开电源检查再通电测试。（3）开负载，通电后测试输出电压UO，其变化范围应为设计值。最后进行稳压器输出、输入端的电压差，其值应大于最小电压差。（三）、质量指标测试（1）稳压系数的测试，先调节变压器，使