无感DC三倍升压电路-桂林电子科技大学二院

1、 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 17 页引言在数字信息快速发展的时代中，大规模集成电路在我们的日常生活所接触和使用的电子产品中占据着越来越高的比重，而我们所处的空间中也充斥着各种频率和强度的电磁波。如何在无法集成电感的集成IC芯片中提高电压以及在环境干扰较大的环境中获得较高的电压和功率一直是我们孜孜不倦地在寻求解决方法的难题。于是无感直流升压电路应运而生。无感DC三倍升压电路指的是利用无感元器件将低压输入直流信号升高到输入信号峰值三倍左右的直流信号输出的装置。主要是将电源输入端的能量用以产生自激振荡信号，然后在保证一定效率的情况下，利用倍压整流电路将电压抬高的过程

2、。在本电路设计中，主要采用廉价的集成电路555定时器构成多谐振荡器产生方波信号，在经过两个三极管搭建的互补推挽放大器放大电流后，经过4倍压整流电路，得到升高以后的电压输出。在带负载和空载的情况下，电压没有明显的改变。在带负载的情况下，功率转换效率达到80%左右！1 设计要求（1）不使用任何有感器件，包括电感、绕线变压器及一些有感升压IC。（2）输入电压为6V DC，可使用4个1.5V的7号干电池串联或直接用稳压直流电源提供。（3）在输出电流为30mA时，输出端在带负载的情况下输出为电压：15V DC 。（4）在有负载、空载两种情况下，输出端电压无明显变化。（5）电压纹波控制在适当范围内，能有效

3、提高升压效率。（6）完成要求：设计与制作可供实际检测的实物样品，并且按要求完成课程设计报告。2 设计构思及理论2.1 设计思路要设计一个无感DC三倍压电路，可以由一个多谐振荡器和一个倍压整流电路来组成。但是为了能有效的储存能量和过滤掉大部分电压纹波，所以在设计电路时要在倍压电路输出端加上一个较大的电解电容，这样使得得到的波形更加完美。如下图1为简单的无感DC倍压电路。这是一个通过百度文库的搜索引擎搜索到得一个常用无感DC升压电路。将555电路产生的振荡脉冲，通过二极管整流电路整流后向电容充电，使电容充电至电源电压，将这样的整流一充电电路逐级连接，就可以得到2倍、3倍、4倍甚至多倍于电源电压的升

4、压路。 图1 (A) 2 倍压升压电路 图1 (B) 3 倍压升压电路 图1 (C) 4倍压升压电路电路工作过程:在图1(A)中，接通电源后，电源首先通过D3向C3充电，使C3两端电压接近电源电压。当555的脚输出脉冲的上升沿时，再次向C3充电。根据水涨船高的原理，使C3正极对地电压达到:电源电压+脉冲峰值电压。随即这一电压通过D2向C4 充电，使C4正极对地电压达到C3的电压，即等于电源电压的2倍。当脉冲下降沿到来时，电源再次通过D3向C3充电，重复上述过程。图1(B)所示是一个3倍压升压电路。由图可见，该电路的升压电路是由3组二极管一电容电路组成的，如果与图1(A)来对照其连接方式就会发现

5、，这一电路所加的元器件，按其位置对比是D3和C3。在该电路中，3组二极管电容电路的每-级均能将前一级输出电压提高一个电源电压值，3组这样的电路可将输出电压提高到电源电压的3倍。图1(C)所示是一个由555电路组成的4 倍压升压电路，该电路由4组二极管一电容电路组成，最终可将输出电压提高到电源电压的4倍。通过参考以上电路，考虑到用定时器NE555构成的多谐振荡器输出的方波峰峰值最多只有6Vpp，电容的漏电电压以及二极管的压降问题。本人设计了以下电路：图2电路原理图2.2 设计构思的理论依据假设NE555构成的多谐振荡器输出的方波峰峰值为6Vpp，则该电压有效值为 式 此时，电源电流经过D1二极管

6、向C3充电，由于二极管存在压降，设压降电压为Uy；而电容也存在漏电电压，设为Ul。则D1N结电压 式然后电流经D2、D3向C4、C5充电。同样由于压降原因，此时D3N结电压： 式之后电流经D4向C6、C7充电，将能量储存在C7中。最后输出电压： 式可见为了能达到电路的要求，一方面要选择最合适的倍压电路级数，另一方面要降低电容的漏电电压和选择电压正向压降较低的二极管。3 系统电路的设计及原理说明3.1 系统框图及说明“驱动”直流电源OUT多谐振荡倍压整流图3 电路的系统框图（1）直流电源：选用SS2323可跟踪直流稳定电源，以保证电源的输入功率。（2）555多谐振荡器：采用NE555定时器搭建一

7、个多谐振荡器，提供一个频率稳定的方波信号。而且该振荡器驱动电流接近30mA，能满足驱动的前级要求。如图4(a)、4(b)所示： 图4(a)多谐振荡器 图4(b)输出波形（3）“驱动”：因为NE555的驱动能力只有30mA，是带不起4倍压整流电路的。考虑再三，用两个对称的三极管搭建互补推挽放大器放大电流，从而驱动后面的模块。如图5(a)为常用的互补推挽放大器，本设计考虑到NE555输出电流30mA，特别选用了如图5(a)所示的推挽放大器。在空载的情况下调试，发现如果不加上拉电阻RS，电源电流会从TIP42的E级流向电阻Rb1、Rb2再回到电源负极，白白消耗了能量，所以加上了上拉电阻RS。此时通过

8、计算和调试更换Rb1和Rb2的值使三极管TIP41截止，TIP42工作在放大区，达到驱动的目的。图5(a)常用的互补推挽方式 图5(b)本设计使用的互补推挽方式（4）倍压整流：用拥有电压快速恢复能力的肖特基二极管MBR745和容量较大的1000uF电解电容如图1(c)搭建起来的4倍压整流电路。由于MBR745正向电压压降只有0.214V，所以该方案可行。3.2 电路设计说明图6 最终电路原理图上图6所示为本实验的最终完整电路。该电路的难点：设置三级管TIP41截止，TIP42工作在放大区。设在空载情况下（右边的倍压整流电路没有接入到电路中），令三极管TIP41、TIP42的基极、集电极和发射极

9、电压分别为Ub1、Uc1、Ue1和Ub2、Uc2、Ue2。则Ue1=0,Ue2=6V,Uc1=Uc2，Ub1=0.7V。则通过Rb2的电流式可见，只要适当调节Rb2的阻值，就可以使I2无限接近于0，TIP41截止。将TIP41看作截止，则流过Rb1的电流I1=Ii-I2=Ii.RS上拉电阻为抬高TIP42基极电流不让电源电流流向基极，假设RS阻值合适，则视为不存在从发射极流向基极的电流和电源流向RS的电流。所以集电极输出往倍压整流电路的电流为：式实现了扩流的目的，此时集电极电压式 其中Ii30mA，而Uc16V。再利用式所得结果，则最终输出电压为： 式3.3 关键元器件的介绍（1） 电路中主要

10、元器件作用说明表1 元器件说明元器件名称说明NE5551.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。TIP41、TIP42TIP41、TIP42是一对对称的NPN和PNP三极管电流 - 集电极最大为6A电压 - 集电极发射极击穿最大为40VIb、Ic条件下的Vce饱和度最大为1.5V 电流 - 集电极截止最大

11、为400A在某 Ic、Vce 时的最小直流电流增益为15功率 - 最大为2W频率 - 转换 3MHzMBR745MBR745肖特基二极管是一种低功耗、超高速半导体器件。它的正向电压压降为214mV，最大电流能达到7A4 仿真验证叙述及效果分析4.1 仿真电路仿真的时候，使用的软件有Multisim。Multisim用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿

12、真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。由于Multisim 10具有这种特性，所以我们可以根据电路原理图，在Multisim 10里画好电路原理图，设计好电路原理图之后运用Multisim 10软件进行仿真，仿真原理图如下：图7 仿真电路原理图由于无法在Multisim 10的元件库里找到合适的三极管，以及仿真元件的理想性，故不加上驱动电路。一开始正式由于仿真软件的理想化导致实际电路板子并不能调试成功，

13、并由于负载电流过大导致烧掉NE555芯片，这是经验不足导致的结果。4.2运行结果 图8 (a) 通过负载电阻的电流和负载电阻两端的电压 图8(b) NE555输出的方波波形仿真开始时，测试电流和电压的电表显示的值都符合了题目的要求。而且随着电容充电的继续，电压还将有所提高。但是过了一定的时间以后，仿真器会提示：通过TIMER 555的电流过大，芯片被烧掉。我仿真时并未在意，直到做完硬件调试烧掉NE555以后才意识到，所以以后在仿真过程当中一定要多注意仿真器的提示。5 工程设计本次工程设计所采用的事Protel 99SE画图软件，Protel 99SE是所有的CAD软件里面比较容易上手的一款画P

14、CB的软件。首先在Sheet1.Sch里面画上原理图，注意线与线之间的结点以及封装的使用，包括自己动手画了肖特基二极管MBR745的封装。顺利地导入Sheet1.Pcb后，修改布线规则（线宽，线与焊盘的距离等）。然后在BottomLayer模式下布线，布线完之后修改焊盘大小，以及适当的移动元件进行空间调整。在添加文字注释之后，新建Preview 打印.PPC，导入画好的PCB。整个过程轻车熟路，并无大碍。6 制作（特点）叙述一 电路设计在电路设计时，先把以前的模拟电子电路基础和数字电子技术基础重新温习一遍目录和小节内容，再上网搜索，并且结合自己学过的理论知识，设计出合适的电路图。之后在电脑上用

15、NI Multisim 10软件对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，确定原理图之后再用Protel 99SE画出原理图和正确的PCB图。二 硬件的制作在制作电路板之前先打印好PCB转印纸,切割好合适的铜板后，用砂纸将电路板打磨掉表面的氧化层。之后用电热转印机将PCB转印纸上的PCB图转印到铜板表面。配出（HCL:H2O2:H2O=1：2：3）的腐蚀液后，待铜板冷却，投入腐蚀液中。经过腐蚀后钻孔、涂擦有助焊接和防氧化作用的松香水后就可以装上元器件和焊接了。三 硬件的调试进行电路板的调试前，先仔细地检查自己焊接的质量。用数字万用表调到欧姆档或者测试二极管的档位，检查电路是否连通，元器件是否焊接正

16、确。之后接上直流电源，上电前先将电源电压电流调低。上电之后看电源是否报警，过十几秒钟后检查主要芯片有没有发烫发热的现象。一切就绪后，开始测试电路是否完成功能。7 调试测试分析电路板制作完成后进行测试，如发现测试结果与设计指标存在一定误差，且误差较大，则可通过考虑可能产生误差的原因，更改相关元件，对电路板进行调试，以使其满足设计指标。(1) 测试过程与步骤 测试仪器： 表2 测试仪器仪器名称数量DDS函数信号发生器 50MHz1台SS2323可跟踪直流稳压电源1台SS7802A双踪示波器1台学生数字万用表1块 测试准备：调节直流稳压电源，向电路板提供+6.0V的工作电压，电流上限调节至0.5A。

17、 测试过程：上电以后，用示波器探笔检测NE555 第3引脚输出波形。记录此时的振荡频率、峰峰值和占空比；然后在不加负载的情况下用数字万用表分别测试TIP41、TIP42的B、C、E的电压并记录；在不接负载的情况下分别用万用表测试四个二极管两端的电压；在不接负载的情况下用示波器探笔测试输出端的电压和电压纹波峰峰值；在接负载的情况下用示波器探笔测试输出端的电压和电压纹波峰峰值；分别记录接负载和不接负载时稳压直流电源的输出电压和输出电流。 测试结果记录 测试数据和数据处理 NE555的输出频率测试值f=2.053KHz NE555的输出电压峰峰值Uo=4.80Vpp 在不带负载的情况下，TIP41、

18、TIP42的B、C、E端对地电压表3 三极管对地电压TIP41TIP42BCEBCE0.704V6.04Vpp05.60V6.04Vpp6V 二极管D1、D2、D3、D4两端的电压表4 二极管对地电压D1D2D3D4PNPNPNPN6.0V8.3V8.3V11.12V11.12V13.45V13.45V16.45V 功率和效率表5 电源输出功率转换效率端口电源输入端电压输出端输入电压/V输入电流/A输出电压/V输出电流/mA不接负载时6.00.0217.450接负载时6.00.1116.6532.6硬件输出功率电源出入功率则功率转换转换效率在有载时输出电压16.65V大于15V，输出电流32.

19、6mA大于30mA；而有载、空载时电压改变量V=17.45V-16.65V=0.80V小于1V，效率=82.3%。所以本无感DC三倍升压电路设计完全符合要求。8 结束语无感DC升压电路装置在日常生活中应用实在是很广泛，但是无论是在网上还是在课本中都很难找到真正的能在有无负载的情况下都能保持稳定电压的设计电路。所以本次电路设计能成功，也让本人学到了很多知识。比如为了产生一个好的、驱动能力够得方波振荡而去温习了一遍555定时器搭成的施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。在未加三极管驱动之前以为是555驱动不足还特意去学了其他门电路振荡器；在认真地考虑到二极管的正向电压压降之后还专门去了解了肖特基

20、二极管；最后，最纠结的一环在于那个驱动电路。本人几乎翻遍了整本模拟电子技术基础，寻求各种扩流方案。一次次的失败，又一次次的努力。为此几乎找遍了百度引擎所能搜索到得前10页的网站，还找了很多高年级的学长帮忙。苍天不负苦心人啊，最后顺利地扩流并提高了效率。本次课程设计总的来说不是很难，但是要做好的话就得花点心思，不能随便对待，特别是像无感DC三倍压电路的设计，本身它就是由一个多谐振荡器和一个倍压整流电路就可以组合成电路了的，但是因为有技术要求与指标，所以必须得接多一个驱动模块才能达到目的。最后调试还发现输出电压纹波过大，于是常下意识地加了一个1000uF的电容器在输出端，结果发现纹波降低了几百倍不算，电压也高了不少，这才知道这个电容式可以储能的。谢 辞感谢学校设置了这样的一个课程，感谢学院给我们提供了这