单元电路设计-模板

1、城事稳将itHarbinHuadeUniversityHarbinHuadeUniversity应用电子与通信技术系电子信息工程综合培训文档（单元电路的设计）题目:姓名:子节.日期:任务书姓名：院（系）：专业：班号：任务起至日期：年月日至年月日题目:技术要求与主要内容:1.11.1系统方框图的确立及说明根 据 该 课 题 的 各 项 技 术 指 标 要 求 最 终 确 立 的 系 统 方 框 图 如 图1 - 3所 示 :图 1-1 系统方框图首先交流220V市电经过变压器转换为低压交流电，将此电压送入整流滤波电路中，滤掉整流后的低频干扰与高次谐波，使得电压更稳定的为稳压电路供电，稳压电路中有

2、两路电源，固定电压为5V给MCUAD运放，另一路是可调电压，由切换电路选择电路输出状态，当切换电路中的开关处于模拟端时，电路输出为模拟可调，电压开关电源芯片调整后即可输出符合技术指标中所要求连续可调的稳定直流电压，当切换电路中的开关SW1处于数控端时，电路为数字按键输出，是通过MCK输出PWMfe,使其输出电压为1.5V到20V输出，每次步进0.5V。并在可调电压输出端为电路用接一个电流表头，量程为直流0到3A,并在输出电压对地端并联一个电压表压表头，量程为直流0-30V,来显示当前电路为负载提供的电压以及电流。且在将输出电压送入AD采集端，通过AT89S52单片机来采集当前电压值，如AD采集

3、电压为0时，说明电源对地短路，AT89S52单片机通过程序控制I/O口来控制开关电源IC的使能引脚，使开关电源停止工作，同事AT89S52单片机控制蜂鸣器发出报警，以达到保护电源并提醒操作人员的目的。1.21.2单元电路的设计1.2.1变压器的选择变压器-利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能，变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组也叫初级线圈；与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组也叫次级线圈。各参数选择

4、如下：当后级稳压电路中的调整管选定以后，为了保证该调整管工作在放大状态，调整管两端的电压不宜太小，通常使UCE=(38)V。由于UCE=UI_UO,因此，整流滤波电路的输出电压，即稳压电路的输入电压应为1/方内图 1-2 桥式整流电路图图 1-3 桥式整流输入输出电压关系图UI=Uomax（38）V根据电路的输出电压UI与变压器副边电压U2之间近似为以下关系:考虑到电网电压可能有10%的波动，因此要求变压器的副边电压为由于本电路的最大输出电压要求为20V,因此由公式3-3可得其变压器的副边电压应在21V到25.7V之间取值。1.2.2整流滤波电路的设计整流滤波电路用来将经变压器变换后的副边电压

5、变成比较平滑的直流电压。其中整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。 而滤波电路的作用是尽可能地将单方向的脉动电压中的脉动成分滤掉， 使输出电压成为比较平滑的直流电压。下面将对两部分电路的选择作详细介绍。采用单相全波整流方式。单相全波整流电路的特点是输出波形脉动较小；直流成分比较高；但在整流过程中整流管所能承受的反向电压较高，而且变压器的利用率不高。如图1-2,1-3所示：采用桥式整流方式。桥式整流电路不仅输出波形脉动小，直流成分高，而且整流管所承受的反向电压不高，变压器的利用率也较高。如图1-2,1-3所示：（式1-1）U:1-2U2

6、（式1-2）U11.Uomax（38）V1.2（式1-3）基于以上分析我选择了方案三，即采用桥式整流方式。2、参数计算(1)二管正向平側电流D(AV)在桥式整流电路中，二管VD1、VD2和VD3、VD4轮流导电，每个整流二管的平側电流等于输出电流平側值的一半，即1ID(AV)=IO(AV)2(式1-4)由于本课题中要求最大输出电流不能小于1.5A,且在之2A时保护，假设最大输出电流为2A,那么由公式3-4可知，桥式整流电路中每个二管白平側电流值不能低于1A,同时又因为当后级接入滤波电路后， 其整流二管的导电角可能会减小， 这样一来整流管在短暂的导电时间内就会流过一个很大的冲击电流，因此为了使其

7、留有余量，保证电路能够正常工作，在这里应该选择平側电流值较大一些的整流桥。(2)二管最大反向峰值电压URM在桥式整流电路中，整流二管承受的最大反向电压就是变压器副边电压的最大值，即URM=(2U2(式1-5)由于本课题中要求的最大输出电压为20V,因此可以假设所选则的变压器输出的副边电压为22V,那么所选桥块中二管的最大反向峰值电压URM应该大于31.1V。又由于当电网电压波动时，这个值也可能会增大，因此在实际电路中为了保证桥块不被击穿，在选择桥快时其最大反向峰值电压的额定值应远大于31.1V。以保证电路能够正常工作。基于以上分析，本电路最终选择型号为RS507的整流桥对交流电压进行整流。RS

8、507的正向平側电流为5A,最大反向峰值电压可达1000Vo完全适合该电路。1.2.3滤波电路的选择由于无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分，纹波系数较大，与所要求的波形相差甚远， 因此在整流电路后需要接入一滤波电路以滤除整流输出的电压纹波。 滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。1、方案的确立方案一：采用RC-n型滤波方式，RC-n型滤波电路的输出电压脉动系数较小。但是，这种滤波电路的缺点是在R上有直流压降，因而必须提高变压器的副边电压；而整流管的冲击电流仍然较大。方案二：采用电容滤波方式。电容滤波是电源电路中常采用的一种滤波方式，它的滤波效果比较好，而且电路简单，体积

9、小、成本低，相比其它滤波方式其实用性较强。如图1-4,1-5所示：亡1匕3图 1-4 桥式整流电容滤波电路原理图图 1-5 桥式整流电容滤波电路输入输出关系图基于以上分析，由于在本课题的技术指标中对纹波系数作具体要求，而且再加上电容滤波电路具有应用广泛，实用性强等优点，因此在本设计中最终选择了电容滤波方式显然，电容量越大，滤波效果就越好，输出波形越平滑，输出电压也就越高。通常根据负载电阻和输出电流的大小选择最佳的电容量。电容容量与负载的对应关系见表1-1：表 1-1 电容容量与负载的对应关系输出电压2A 左右1A 左右0.5-1A0.1-0.5A100-50mA50m 以下滤波电容4000uF

10、2000uF1000uF500uF200-500uF200uF2、参数计算(1)容值的选择电容的放电时间常数(E=RLC)愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。用的角度，在这里我假设负载电阻的最小值为15C,那么由公式3-6可得因此可选电容量为4700旷的电解电容。(2)耐压值的选择采用电容滤波方式，其电容器的耐压值应该大于行U2(其中U2为变压器的副边电压)。假设副边电压U2为22V,那么该滤波电容的耐压值就应该大于31.1V,而且电网电压也会有一定程度的波动，因此为了使本电路能够完全正常工作，在实际选择滤波电容时其值应尽可能大一些。基于以上分析，最终选择电容值为47

11、00耐压值为50V的电解电容作为滤波电容。1.31.3调压电路的设计1.3.1稳压电路的设计稳压电路是直流稳压电源的重要组成部分之一。由于整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还具有相当的距离，其主要存在两方面的问题：第一，当负载电流变化时，量:为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中经常要根据下式来选择滤波电容的容RC25T2其中T为电压的周期。注：RLO(3-5)T(半波)RLO(3-5)T/2(全波)（式1-6）由于负载电阻RL的值是不确定的,所以可以假设由为一较小的值，如果根据这个较小的值来选择滤波电容的容值，那么当RL变大时，式3-6也会仍然成立。从实际应5-C2=RL150.022F

12、定3333F由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之发生变化；第二，当电网电压波动时，整流电路的输出电压直接与变压器副边电压U2有关，也要相应地变化。因此为了能够得到更加稳定的直流电压，就需要在整流滤波电路后加上稳压电路。采用降压开关型集成稳压电路LM2596adj,它内含固定频率振荡器 （150KHZ）和基准稳压器，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需少的外围器件便可构成高效稳压电路。芯片本身也可直接输出3A的电流，且此稳压芯片具有低功耗/正常两种模式，可外部控制，所需外部器件少，具有热关断和电流限制。2、芯片介绍LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电

13、流输出降压开关型集成稳压芯片，输入电压范围宽，输出电压有可调型和固定型，电路简单，需要的外围器件很少，被很多企业所采用做电源的前级降压。 因其转换效率高， 输出电流大。 电源虽有纹波， 但可使用大容量电解电容即可解决，满足系统的需要。稳压器LM2596adj1如图1-6所示，脚是稳压取样电压输入端，该脚一般与输出电压相连，通过IC内部检测输出电压的大小。当输出电压增大后减小时，该引脚按比例增大或减小，与内部基准比较，有内部放大器自动调节振荡器输出占空比，从而使输出电压稳定，其它引脚功能如表1-2所示。表 1-2LM2596 的引脚功能功能引脚号直流电压输入端Vin1直流电压输出端Vout2输入

14、输出公共端Gnd3稳压米样电压输入端Feedback4使能控制端ON/OFF53、取样及电压调整电路的选择（1）电路连接方法的确立根据稳压芯片LM2596的技术参数可知，采用一般通用的连接方法即可，即仅通过调节4脚反馈的电压来来达到使输出电压的恒定，其电路连接形式如图3-12所示。电压输出的计算公式如3-7。图 1-6 取样及电压调整电路的连接形式此电路就是稳压系统的电路，通过调节电位器RP1来实现，输出电压为以下公式:.一RP1Vout=1.23*(1)(3-7)、R60)R60规定为手册规定1K,误差为1%的高精电阻根据以上条件最终确定其阻值分别为旋钮电位器RP1=20K、R60=1K4、

15、电感器的选择(L1)由于稳压芯片LM2596的最大输出电流为3A,需要外配电感来提升输出电流的能力。电感器的选择需依据一下几个条件(1)可以通过一下的公式计算电感电压与微妙的乘积E T其中Vsat为内部开关饱和电压，切Vsat=1.16VVD为二管正想压降，VD=0.5V。(2)用前面公式中所得的E-T的值，去芯片手册中的图7的纵坐标上找一个相匹配的电感序号。在横坐标上选一个最大的负载电流。(3)由ET值和最大的负载电流值的交叉处确定一个电感区域， 每个区域都由一个电感值和一个电感序号(LXX)表征。(4)最好使用磁屏蔽结构的电感器。5、输出电容的选择(C1)(1)在大多数的使用中，使用82F

16、820F之间的低等效电阻(LowESR)的电解电容或固态锂电容效果最好，电容要靠近IC,管脚要短，连接的铜线要短。不要使用大E.T=(Vin-Vout-Vsat)VoutVDVin-VsatVD315(KhzJIM2596S-ADJ于820LtF的电容。(2)电容的耐压至少应是输出电压的1.5倍，有时，为了得到纹波低的输出电压需要更高的电容耐压值。6、吸纳二管的选择(D4)(1)吸纳二管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二管的最大承受电流能力要等于LM2596的限输出电流。对吸纳二管来说，最坏的情况是过载或输出短路。(2)吸纳二管的反向

17、耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。(3)吸纳二管必须是快恢复的且必须靠近LM2596,此二管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二管是首选，我们选择的是SS54,同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二管效果也很好，但是，一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。超快恢复二管的典型恢复时间为50ns更快，但IN5400系列的整流二管速度很慢，通常不用。7、输入电容的选择为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低频滤波电解电容3300uf/50V,并选择一个瓷片电容

18、0.1uf的作为旁路电容，这个电容要靠近IC。另外，输入电容电流的側方根值至少要为直流负载电流的一半。要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。对铝电解电容，其耐压值要为最大输入电压的1.5倍且要靠近IC。必须注意的是，如果使用了锂电容，则推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。使用电介质固定的瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心，因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。1.41.4数控电路的设计1.4.1设计思路本电路的设计是通过调节LM2596的第4脚反馈端，通过按键调整来使单片机输出PWM波形，以不同占空比来调节LM358输出电压大小接到LM2596的反馈端。1.4.2数控调压

19、电路的设计2、STC89C52介绍STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断,一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双

20、工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T可选。最小系统电路图如图1-7:图 1-7 单片机最小系统1、LM358芯片介绍LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。具体调压电路如图1-8:ClllO.luF图 1-8 数控调压部分原理图n nl lzlHI5MTTzlHI5MTTEMrQxs