Protel应用课程设计直流稳压电源设计

1、课程设计任务书学生姓名：专业班级：信息 SY1001 班指导教师：魏洪涛工作单位：信息工程学院题目：Protel 应用课程设计一一直流稳压电源设计初始条件：AltiumDesigner9 软件、相关模电知识要求完成的主要任务：1、根据自选题目绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*sch（自选）。2、绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。4、有能力的同学可做出实物电路，此项作为加分项处理。时间安排：序号阶段内容所需时间1选题，原理力泵设计2 天2电路原理图、印刷版图设计、电路的仿真、实物制作3 天

2、3撰写报告1 天4答辩1 天合计7 天指导教师签名：2013年7月2日系主任（或责任教师）签名:2013 年 7 月 2 日目录摘要 IAbstractII1 设计要求：11.1 课程设计总体要求 11.2 性能指标要求 12 电路的工作原理 21电源变压器 21整流电路 31滤波电路及滤波电容的选择 41稳压电路 53 元件选择和参数计算 61电源变压器 61整流电路参数 61滤波电路参数 71LM317 相关参数 74Multisim 仿真及参数测量 91整体电路图 91电路仿真结果 91参数测量 115 用 AltiumDesigner 软件绘制原理图 14新建一个工程 14创建一个新的

3、电气原理图 14绘制电路原理图 15新建一个 PCB 文件 17导入文件 17摆放元件并布线 186 心得体会 197 参考文献 20附录一元器件清单 21摘要本课程设计目的在于培养同学们自主设计制作的能力，同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析，并学会用 AltiumDesigner 软件进行 PCEJ 图。集成直流稳压电源的设计要求是比较基本的设计，设计要求电源输出三档可调直流电压。设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。通过四部分的组合将 220V 交流电压转变为设计要求直流电压。并且用仿真软件进行仿真分析。关键词：AltiumDesigner、PCB 集成直流稳

4、压电源AbstractThiscourseisdesignedtotraintheabilitytomakeindependentdesignstudents,atthesametime,learntousesimulationsoftwaretosimulatethecircuitdesign,andlearntouseAltiumDesignerPCBdrawingsoftware.DesignrequirementsforintegratedDCregulatedpowersupplyisthebasicdesign,thedesignrequirementsofpoweroutputt

5、hreeadjustableDCvoltage.Thedesignincludesfourpartsofpowertransformer,rectifiercircuit,filtercircuit,voltageregulatorcircuit.The220VACvoltageintoDCvoltagethroughthecombinationofdesignrequirementsoffourparts.Andcarriesonthesimulationanalysisbysimulationsoftware.Keywords:AltiumDesigner、PCB、IntegratedDC

6、regulatedpowersupply.直流电源的设计与实现1设计要求：课程设计总体要求.根据自选题目绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。.对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。*4.有能力的同学可做出实物电路，此项作为加分项处理。1.2性能指标要求.输出电阻不大于 1 欧姆；.输出电压纹波较小；.稳压系数范围；2电路的工作原理集成直流稳压电源由四部分组成，四部分分别为：电源变压器，整流电路,滤波电路,稳压电路,如图 2-1 所示。电源整流谡波稳压+P取变压器电路%电路电路(

7、a)稳压电源的组成框图(b)整流与稳压过程,图 2-1 集成直流稳压电源电源变压器电源变压器的效率电源变压器是将 220V,50HZ 交流电压降压后输出到副边。只其中：B 是变压器副边的功率，R 是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表 2-1 所示：表 2-1 小型变压器的效率副边功率P2=(35)T/2式中 T 为电源交流电压的周期，滤波电容的容量可由下式估算:C=ICt/AVip-p图 2-3RC 滤波电路式中 AVip-p稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；T电容 C 放电时间，t=T/2=0.01SIC电容 C 放电电流，可取 IC=Iomax,滤波电容 C 的耐压值应大于 1.4V

8、20稳压电路由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。采用集成稳压器设计的电源具有性能稳定、结构简单等优点。LM78121VINVOUT1O+12VC3C4丁工图 2-6 三端固定式稳压器集成稳压器的种类很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按照输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可以分为正电压输出和负电压输出两种类型。按照设计要求本设计要

9、用到可调式三端稳压器。LM7912VINVOUT3元件选择和参数计算电源变压器因当算出了副边功率 P2后，就可以根据表 1 算出原边功率 Pi。考虑到电流不需要太大，最大电流为 0.8A,可以选择电源变压器为双 15V/25W。原边输入功率为 P,=25w。副边输出功率为 F2_I2U2=0.815=12w因为所选电源变压器为双 15V/25W,由表中数据可知”=0.7,则P=F2=12/0.7=17.1w,所选 25W#合要求。电源变压器的实际效率为=旦=12100%=48%P25整流电路参数1二22U2U0(AV)2U2sintd(wt)=2:0.9U22二0二最大反向电压：URM=.2U

10、21.1U2I.0452整流二极管的选择（考虑电网10蹴动）：F._RL、UR1.1V12U2故整流二极管选可选择 1N4001,其极限参数为 URM之 50v,而 6U2=21.21v,输出电压平均值:输出电流平均值:10(AV)U0(AV)0.9U2平均整流电流:1D(AV)0(AV)U0(AV)22RL0.45 以RL滤波电路参数滤波电容的选择：RLC=（35）T，UO（AV）定I.2U2,一般选择几十至几千微法的电解电容，耐压值应大于1.1V2U2=1.56U2。在选择三端稳压器 LM317 后，其输出电压范围是：1.2512V,假定设计电路需满足纹波电压不大于 5mv,选择稳压系数为

11、&=3 父 10 名因为 SV=U2UL，而 UO=12v,Ui=15v,AUop3=5mv,Sv=3 父 10，UoUI=UCCCU515所以 q=op-i=2M3=2.08VUOSV123滤波电容为C=12mx=3846NF,电容 C 的而寸压应大于2U2=21.21vUiUi故取 2 只2200NF/25V 的电解电容相并联作为滤波电容。为达到更好的滤波效果，可以在电解电容旁并联一个 0.1NF 的电容。LM317相关参数确定 R1、R2 的阻值：输出电压取决于外接电阻 R1、可调电阻 R2 的分压比。LM317 输出端与调整端之间的电位差包等于 1.25V,调整端 1 的电流极

12、小，所以流过 R1、R2 的电流几乎相等（约几毫安电流），通过改变电位器的阻值就能改变输出电压。输出电压计算公式 UO1.25自带入数据可得1.25=1.25(1+)(1)RI12%1.25(1+R2)(2)有(1)(2)可得：R2=8.6R取滑动变阻器：R2=1k。，则 R=1160R=116C 的阻值不是标称值，取标称阻值200c。此时 R=8.6 旦=1.72 阳，取其标称值：R2=2kC4 用于进一步减少输出谐波电压，一般取 100nF;输出端电容 C5 用来改善负载的瞬态效应，消除电路的高频噪声，同时也有消振作用，一般选取10叶；当输入端短路时，已充电的 C5 电容将从稳压管的输出端

13、向稳压管放电，使稳压管损坏，D6 可防止此种情况发生；当输出端短路时，已充电的 C3 通过放电到稳压管的调整端，使稳压管损坏，D5 课防止此种情况发生，C3 一股选取10NF。4Multisim仿真及参数测量整体电路图直流稳压电路的整体电路图如图 3-1 所示:图 3-1 直流稳压电源的整体电路电路仿真结果整流电路输出的仿真图如图 3-2 所示:Channel_A41.099mVTZTlBE度bps。SosiepOms/Dh/Xpositjioni10pf/FAdd|日用|4代ChanrHElAStile|IOV/Divpasition0向匚|口口匚-疔Time180.01msReverse5

14、aveExt.TriggerUhanqHB与 slu|写portion|0同仁|口口|DC-C滤波电路的输出图如图 3-3 所示:图 3-3 滤波电路的输出直流电源的输出结果如图 3-4 所示:O&cilloscope-XSCI图 3-4 直流电源的输出由直流电源的输出可以看出，电压输出先经历一个缓慢向上增长的过程,Channel_A0.000VChrnneiA|-6anrl日-TriyyerScale|10球用1scale归V/DivEdgeTLAposition( (0YpositionQLevel|Q|VAC|0IDC6苒c。|DC=LTypeSing.|NarrAutoIfNo

15、ne然后逐步达到平稳的输出4.3参数测量1、测量稳压电路的输出电阻 Ro输出电阻 Ro 定义为：当稳压电路输入电压保持不变时，由于负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比。输出电阻反映稳压电路受负载变化的影响，越小越好。本次仿真中由 500 欧姆变化到 2K 欧姆可用输出换算法测量输出电阻 Ro。14.423V一14.412V28.845mA-7.206mA可知仿真结果满足设计要求，仿真图如图 3-5 和图 3-6 所示R0=Oscilloscope-XSClMultimeter-XM.28.845mA图 3-5 负载为 500 欧姆时的仿真图图 3-6 负载为 2K 欧姆时的仿真图

16、5.4.HiLJnjQ4.WMuiltinriieteraXM-.2、测量稳压电源的纹波电压和纹波因数测试条件：在额定 220V 输入电压下，调节 R2 的滑动端，输出电压最大时为 12V 用示波器观察输出波形，选择观察交流成分，所观察到的信号为纹波电压信号，用交流电压表测其有效值为 0V,当然,这肯定是仿真的理想情况。纹波系数测量：纹波系数为毫伏表读数与电源输出电压的比值，即U=%父 100%。Uo.3、测量稳压电源的稳压系数 SU稳压系数定义为：当负载保持不变时，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。稳压系数反映电网电压波动时对稳压电路的影响，越小越好。调节调压器的输出，使输入到变压

17、器的交流电压分别为 242V 和 198V,测量稳压电源的输出电压，根据公式计算稳压电源的稳压系数 SUCUO/UO0.001V/11.783V4U-UI/UIRL/数-1(V/22(V|K厂.可知，设计满足要求，仿真结果如图 3-8、图 3-9 和图 3-10 所示纹波系数=0,仿真图如图 3-7 所示图 3-7 测电压纹波系数的仿真图D3U1W317HNLTPQ422150:*Vims-心： ： ：Tjfrtft720,0426ari*LA11.792VChannei_B之-T1TimebaseSeale110EQrvCharnelAScaJe110VDirvChannelBXp4Kiba

18、no弋position5(Y/TAddI日/R4掏IACIqjpcI5V/Divpas-borio图 3-8 输入电压为 242V 的仿真图Oscilloscope-XSC1Level0Type&g.|Nor-|Nut。TriQQierEdgerlFinfigpageScale110ms33ivCtiignineflA4k|IDVJDiYOiQnnWBSeal?|5,加TriggtEdge;r上回JlXposltoon(|/riflidd|曰瓶|A/E|fposlUon|oAC|口ockLposm的|O*=i-1LevelType1口|.Sir*|MorAutm|Ntong图 3-9

19、电压为 220V 的仿真图Oscilloscope-XSC11-张T2-TITimeIMXS0.0005Ch占rirTkOWineU11.793V11.793V0.000VReviersEEirt.T门QWSaveImievdbesj-kfliineir5aiNewProjectPCBProject,或在 Files 面板的内 New 选项中单击BlankProject(PCB)。.重新命名工程文件(用扩展名.PrjPCB),选择 FileSaveProjectAs。保存于您想存储的地方，在 FileName 中输入工程名直流稳压电源.PrjPCB 并单击 Save 保存，结果如图 4-1 所

20、示。图 4-1 创建的工程创建一个新的电气原理图通过下面的步骤来新建电路原理图：.选择 FileNewSchematic,或者在 Files 面板内里的 New 选项中单击 SchematicSheet。在设计窗口中将出现了一个命名为 Sheet1.SchDoc 的空白电路原理图并且该电路原理图将自动被添加到工程当中。该电路原理图会在工程的SourceDocuments 目录下。.通过文件 FileSaveAs 可以对新建的电路原理图进行重命名，可以将通过文件保存导航保存到用户所需要的硬盘位置，如输入文件名字直流稳压电源.SchDoc 并且点击保存，结果如图 4-2 所示。S3OXPfileV

21、iewProjectWindowHelpWorkipacel.OsnWrkWorkspace直流瘠压电通PrPcbProject FiteView_)ShuictuiBEditor一一。卜，日-I自奈源压电会-PriPMiANoDocumentsAdded绘制电路原理图.所以从 Libraries 面板顶部的库下拉列表中选择元件库，并从中找到自己所需的元件，直接双击该元件的文件名，光标会变成十字准线叉丝状态并且一个整流桥紧贴着光标。现在正处于放置状态。如果移动光标，整流桥将跟着移动，将整流桥拖到电气原理图中，如图 4-3 所示，按照此方法将其他所需的元件都调入到电气原理图中。.在菜单中选择 P

22、laceWire 或者在连线工具条中点击 Wire 来进入绘线理1后酎津言蚯电谭攵卜。，-30cJii建中 3。即B限EditYiewProjetPlaceQe%ignToolsfieport&iflndowHelp图 4-2 新建电气原理图模式。光标会变成 crosshair 十子准线模式，依次将各个元件连接好。绘制元后的电路原理图如图 4-4 所示。H口区PfihEdit坐坐nPrcjeitPlactRe1城gnlookRtpom置讪如置讪如wHelp图 4-4 电路原理图二U|a|善由WeW，|,rejects目冥WakspaDsl.DsnVik-WarttspaceE流焉压电源

23、RF匚bProjecL：FileViewQS(ructureEditor瞠J-色韭十:常4|力g浦z鼠飞Ah:1一工亘流稳压电源3chM小Libmries士libraries,Sgctv.|PlaceBFIDGE1-b.ScHLibvFuwwj?ubrlarjA同6舌ProjectsMavigalorTinvnGiMMnCam.LibraryDasanpbanFoolpnnl：阳jjBRIIby.ScHjtDiodeBiidgBRIDGE%9Domiponanlf二全厂zzSupplierManiadurcrDescriptionUnil人PiceI图 4-3 调入元件F由保.SEhc，日百圣

24、，压电速PriPubBLJSourceDocxinierfi新建一个PCB文件通过下面的步骤来新建 PCBt 件：.选择 FileNewPCRPCB 文件自动连接工程并被列在 Projects 中源文件里工程名的下方。通过选择 FileSaveAs 重新命名新的 PCB 文件（带.PcbDoc 扩展名）。浏览到用户想存储 PCB 的位置，在 FileName 里键入文件名直流稳压电源.pcbdoc,并点击 Save。.如果要将PCB文件作为自由文件添加到一个已经打开的工程中， 则需在 Projects中右键单击 PCB 工程文件，并选择 AddExistingtoProject。选择新的 PC

25、B 文件名并点击打开。现在 PCB 文件已经被列在 Project 下的 SourceDocuments 中，并与其它工程文件相连接。用户也可直接将自由文件拖拉到工程文件下，保存工程文件。导入文件打开原理图文件直流稳压电源.schdoc。选择 DesignUpdatePCBDocument（直流稳压电源.pcbdoc）。该工程被编译并且工程变更命令对话框显示出来，如图 4-5 所示。点击 ExecuteChanges,将更改发送给 PCB 单击 Close,目标 PCB 文件打开，并且已经放置好元器件，结果如图 4-6 所示EngineeringChangeOrderrteW*EwU4Clun

26、ks|gaportCh占力第i*Jleded口匕性沌Pfrttftom打出闻萄Rvieve7MJh*Ml蜚Remove即ZhahH鼻上RfflTKW7 即3gM际4RemovevC1-1lromHeia._1RemovefC1-2hNC1Remo府fC2-1frcmNfil5*._1片fC22frcmWtiC3_：RemmTC3-1FW1RmctC3-2fromNeJa_2AenwwWfiMel5fc_1RflDtfrtfZhmN&l匚七2-oDidhumGND-o口14HornNHL；1HWvefDi-3homH#.l_?RWKTYff-DHriwnNrfl_4Rncw7D2-1li

27、cmNflt4_ZRemove!-D2-2fixmNti_2Remort-oD3-1licmHd?%2-o晰/-4J1-TRwrwYe7Jl-ZriwnNJlZhnnnnnn-hnHnnnnnnnnnhnhnnnnnn-hnHnnnnnnnnnhn舞空为黑黑雪筌器窖窿窑捶.ff.a.ffi.ffffffffiff.a.ffi.ffffffffi. .ff.ffl.ffi.ffffa.ffff.ffl.ffi.ffffa.ff. . .琅ffff至一电电电电布电电电电电电a a电电电电电冷电电电KEEEESEEEEESIEEEESffiEEKEEEESEEEEESIEEEESffiEE鞭。已役联例德穆拒捏催卷费穆世通联楼建。文京命京用充文卷京餐电充富去巨至之充富士7=17=1 !:a!:a: :Q:Q-s-A-dana-Q:Q-s-A-da