模拟电路——直流稳定电源

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 直流稳定电源 初始条件：电阻，电容，电感，电位器，晶体管，放大器，TL414,LM324若干要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.稳压电源. 在输入220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下，输出电压为9-12V可调，最大输出电流1.5A。2. DC-DC转换器. 在输入为9-12V条件下，输出电压+100V，输出电流10mA。时间安排：第19周理论讲解，时间：第20周理论设计、实验室安装调试，地点：综合实验室、通信工程实验室（1）指导教师签名： 200

2、9年 1 月 日系主任（或责任教师）签名： 2009 年 1 月 日直流稳定电源一、方案认证与比较在进行电路的设计过程中，我们采用的是模块化思想，将整个电路分成几个分立的模块来分析、制作，最后再进行组装、调试。方案一：采用单级开关电源，由220V交流整流后，经开关电源稳压输出，但是由于这种方式产生的直流电压纹波比较大，无法得到稳定的电压输出，不符合我们的要求。方案二：我们将从滤波电路输出的电压接到线性稳压电路（如下图1所示）图1 线性稳压电路的输出值可调，为912V的直流输出。此方案的优点是：电路简单、很容易调试，但是效率比较低，其输入端一般为15V左右的电压，而输出只有912V，压降较大，功

3、率损耗比较严重，无法实现效率40的目的。方案三：图2 以方案二为基础，在线性稳压电路前加入DC-DC变换器，采用脉宽调制（PWM）技术，并采用恒压差控制技术，如图2所示在这种情况下，由DC-DC变换器来完成从不稳定的直流电压到稳定的直流电压的转变，由于采用脉宽调制技术和恒压差控制技术，使得线性稳压电路两端压差减小，电路消耗大幅度下降，解决了方案二中的效率低下的问题。其次，由于使用脉宽调制技术，使得电路有了过流、过热、自动恢复等功能。二、直流稳压电源的组成2.1 直流稳压电源的组成框图各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成，电子电路正常工作需要直流电源，为电器设备提供直流电的设备称为直流稳

4、压电源。直流稳压电源可以将200V的交流输入电压转变成稳定不变的直流电压，直流稳压电源的组成框图如图3所示。图3直流稳压电源组成框图 直流稳压电源各部分作用变压电路的作用是将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电，用普通的电源变压器即可实现变压的目的。整流电路的作用是将输入的交流电变换成单向脉动的直流电，可以通过桥式整流电路实现，经过桥式整流之后输出的波形如图4。图4滤波电路的作用是平滑整流输出的单向脉动电压，最简单的滤波电路是电容器，桥式整流电路输出的波形经电容滤波电路处理后的输出电压波形如图5所示。22串联型稳压电源电路图522.1电路的组成最简单的串联型稳压电源电路如图6所示。图6串

5、联稳压电源电路图中的C1是电源滤波电容，设电容C1两端的输出电压为Ui，该电压是稳压电路的输入电压。稳压电源中的稳压电路由四个单元组成。（1）基准单元：限流电阻R2和稳压管D1组成稳压电路的基准单元，该单元的作用是为稳压电路提供自动调整所需的基准电压UZ。（2）取样单元：电阻R3、R4和电位器RP组成稳压电路的取样单元，因该单元与负载电阻RL相并联，所以该电路两端电压的变化情况直接反映了输出电压的变化情况。（3）放大单元：稳压电路中的放大单元由三极管T2、电阻R1和稳压管D1等器件组成，该电路可将取样电路所采到的电压UB2与基准电压UZ进行比较，并产生与输出电压变化情况成正比的控制信号，控制信

6、号经放大后产生控制电压，控制调整管T1的输出电压，以保证稳压电源输出电压的稳定。（4）调整单元：稳压电路中的调整单元由三极管T1和外接的负载电阻RL等器件组成，调整管T1与负载电阻RL等组成射极输出器。射极输出器是串联电压负反馈电路，因电压反馈可以稳定输出电压，所以，稳压电源的输出电压将很稳定。2.2.2串联型稳压电源的工作原理讨论串联型稳压电源的工作原理可分负载电阻不变，输入电压变化和输入电压不变、负载电阻变化这两种情况。（1）负载电阻不变，输入电压变化时的稳压过程负载电阻RL保持不变，输入电压Ui上升时，会引起输出电压UO也上升，在这种情况下，稳压电源稳压的流程图是由稳压的流程图可见，输入

7、电压Ui、输出电压UO和调整管的输出电压UCE1三者之间是串联的关系，所以，该电路称为串联型稳压电源。（2）输入电压不变，负载电阻变化时的稳压过程输入电压Ui保持不变，负载电阻RL上升时，会引起输出电压UO也上升，在这种情况下，稳压电源稳压的流程图是2.2.3稳压电源输出电压UO的计算公式在图10-1-4所示的电路中，设电位器上段的电阻值为RP1，下段的电阻值为RP2，取样放大管T2基极的电位UB约等于UZ，在IB2很小，且可忽略的前提下，UB为（2-1）由上式可得输出电压UO为（2-2）当RP2为最小值零时，输出电压UO为最大值UOmax（2-3）当RP2为最大值RP时，输出电压UO为最小值

8、UOmin（2-4）根据设计要求，输出电压为9-12V，Uomin=+9V，Uomax=+12V，因稳压电源的输出电流等于调整管的集电极电流，当输出电流太大时，可采用复合管作为调整管，以提高电路的输出电流；为了提高稳压的效果，取样放大电路也可以采用运算放大器。采用复合管和运算放大器组成的稳压电源电路如图7所示。图7 稳压电源三、模块组成本电路从功能上分成五个模块，下面是对具体的电路模块进行的说明3.1交直流转换电路模块 本电路的目的在于从50HZ、220V的交流电压中得到直流电压。电路如图8所示图8 桥式整流 当输入220V交流电压时，首先通过变压器降至25V左右交流电压。整流部分选用了全波桥

9、式整流电路，输出为32V的直流电压。3.2 DC-DC转换电路模块 使用此电路的目的在于最大限度地降低模块的功耗，同时，为下一级提供一个稳定的直流电压。它的电路图如图9： 图9 DC-DC转换电路DC-DC电路为有核心芯片TL494作控制的单端PWM降压型开关稳压电路。图中R10与C5决定开关电源的开关频率。电阻R8作为限流保护电阻用。其片内误差放大器（EA1）的同相输入端（脚2）通过5.1千欧电阻（R7）接入反馈信号，从后级线性稳压电路得到分压。开关管采用PNP型大功率晶体管。 工作原理：在恒定频率的PWM通断中，控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压UVOM 与锯齿波相比较而产生的。

10、控制电压则是通过偏差（即实际输出电压与其整定值之间的差值）获得的。锯齿波的峰值固定不变，其重复频率就是开关的通断频率。在PWM控制中，这以频率保持不变，频率范围为几千赫到几百千赫。当放大的偏差信号电平高于锯齿波的电平时，比较器输出高电平，这以高电平的控制信号导致开关导通，否则，开关处于关断状态。当后级反馈电压高于TL494的基准电压5V时，片内误差放大器EA1输出电压增加，将导致外接晶体管T和TL494内部T1,T2管的导通时间变短，使输出电压下降到与基准电压基本相等，从而维持输出电压稳定，反之亦然。参数计算：由R10=39千欧，C50.01uF,得振荡频率fosc=28.2kHZ为保证电流连

11、续，电感取值不能太小，但也不能太大。计算如下： Lmin=(UI-UO) )/(2×I0)TON =(35-10)/(2×1.5)×0.00002=167uH C>U0×Toff/(8×l×f×U0) =15×10×0.000001/(8×0.001×30×1000×0.1) =6.25uF Iop=ILP=(UI-UO)/(2×L)×0.00002+1.5=1.75ATL494工作原理：TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，其外形如

12、图10。TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：        图10输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小，参见图11。图11   控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120

13、mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只

14、需最小的输出即可支配控制回路。 图12 TL494原理图当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压

15、源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的070温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。下表为TL494的极限参数TL494的极限参数 名称代号极限值单位 工作电压Vcc42V 集电极输出电压Vc1,Vc242V 集电极输出电流Ic1,Ic2500mA 放大器输入电压范围VIR-0.3V+42V 功耗PD1000mW 热阻RJA80/W 工作结温TJ125 工作环境温度 TL494B TL494C TL494I N

16、CV494BTA -40+1250+70-40+85-40+125 额定环境温度TA403.3线性稳压电路模块 本电路的目的是在第一级稳压的基础上实现线性高精度稳压，降低纹波，提高电压调整率和负载调整率，最终达到题目的指标要求。原理如下图12所示：图12线性稳压电路此电路继承了DC-DC变换器的输出电压。在本电路中，首先输入电压在精密稳压源上产生一个稳定的参考电压，接到由运放组成的比较电路的正端输入脚。输出电压经过电阻分压之后反馈至运放的负输入端。运放的输出电压控制达林顿管的发射极电压，得到所需的高度稳定的直流电压。参数计算: U0=Uref×(Rx+R5+R6)

17、/(R5+R6)RX=3千欧 ，R5=1千欧 ，Uref=6V,则当R6=0.67千欧时 U0=(2.5×6)/(1+0.67)=9V当R6=0.25千欧时 U0=(2.5×6)/(1+0.25)=12V3.4 恒压差控制模块 在DC-DC转换电路和线性稳压电路间采用恒压差控制，即：通过反馈，使DC-DC变换电路输出电压与线性稳压输出电压差值恒定，这样，既可保证线性稳压电路所需的电压差，又降低了线性稳压电路低压输出的损耗，提高稳压模块的整体效率。而且，在整个模块输入电压发生较大幅度变化时也能够进行高精度的稳压，纹波也会因此大大降低。 在这一模块电路中，还接有软启动电路，在开

18、关机时，对产生过冲现象有相当大程度上的抑制。同时，通过控制DC-DC变换器的脉宽，可实现过热，过流保护。这一部分的电路整合到了第3模块中3.5显示模块： 为简化电路，显示模块使用了单片A/D转换集成电路（ICL7107），其中ICL7107是一块美国INTERSIL公司生产的三位半双积分式A/D转换器，采用双列直插式封装。标准工作时的电压为+5V、-5V，芯片自动进行一系列的数值转换后，直接驱动共阳极LED数码显示管（该电路使用TOS-5101BR数码管），以BCD码方式在LED上显示，可显示3位测量电压，电压范围可精确到0.1%。图13为数字显示电压表原理图： 图13数字显示电压表原理图芯片

19、的33，34脚接基准电容，27，28，29脚组成积分电路。38，39脚的电阻和电容共同构成IC内部振荡器的RC电路。该电路的时钟频率为45KHZ。30，31脚为模拟量输入端，两脚间的电容为输入滤波电容。31脚外接的电阻为限流分压电阻。该电路35脚接地，36脚作为基准电压输入，也称作定标系数调节电压，36脚电压至关重要。我们可以通过公式 N=1000Vi/Vref+来计算它的定标系数。N表示数码管显示值，Vi表示31脚输入电压的变化值。ICL7107的20脚为负极性指示。（制作时ICL7107应使用IC插座，一切做好后再插IC）.四、总结与体会经过一个学期对模拟电子技术课程的理论学习，我受益良多

20、。但是，正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行”，学习任何知识，仅有理论是不够的，还要进行探索、实践，对于我们理工科来说，实践更是重要。所以，我认为这次课程设计是很几十而且很必要的。通过自己亲身参与，不仅能加深我们对理论知识的理解，而且还能真正做到学以致用。这次的课程设计安排在学期末，说实话让人很头疼，因为我们必须在复习准备考试的同时做课程设计，很紧张，时间紧，人心情也紧张。我就是因为紧张在查找资料的时候走了不少弯路，有时候甚至找了一些跟课题没有关系的资料，白费了时间和精力。但是通过努力，总算是完成了设计任务。通过这次的课程设计，我对课本上的知识有了更深刻的理解，对于直流稳压电源的工作有了更深的认识。通过这次课程设计，我还认识了TL494芯片，了解了TL494的工作原理和它的一些用途，也算是课外收获了。在这次课程设计中，我也有没有解决的问题，例如如何在输入+12V恒定条件下输出可调的稳定电流，虽然查找到了一些资料，但是还是没有弄明白。这说明我的理论知识还不够，还要加强学习。这次课程设计让我学到了很多，不仅巩固了先前学到的模电知识，还培养了了我的动手能力，使我的思维得到了拓展的机会。虽然是第一次做课程设计，有许多令人不满意的地