具有短路保护功能的开关稳压电源的设计方案

概述稳压电源，输出电压相对稳定,它与人们的日常生活密切相关，也称稳压器等，开关稳压电源的发展依赖于半导体器件和磁性材料的发展。随着电子工艺的发展，已成为世界各国的普及产品.按调整管及负载的连接方式可分为串联型和并联型,按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM)和混合调制型.本电路设计主要引用串联型脉冲宽度调节型，主要由主输出电路、控制电路、采样比较放大及保护电路四大部分组成。利用三极管的导通特性，通过波型发生器与电压比较器共同实现对三极管导通与关断的控制,从而实现开关功能，负反馈采样放大电路实现调压功能。电源输入电压为市网电压。输出电压为5—24V可调电压，稳压最大电源功率50w，能够实现过流及短路保护功能。二、方案论证开关稳压电源，实质上是一个受控制的电子开关.电子开关在直流稳压电源中做调整元件，通过改变调整器件的导通时间和截止时间的相对长短，来改变输出电压的大小，达到稳定输出电压的目的。方案一：方案一原理方框图如图1所示：采样电路运算放大电压比较采样电路运算放大电压比较市网输入输出调整管整流滤波市网输入输出调整管整流滤波PWM控制PWM控制保护电路保护电路图1开关稳压电源电路的原理框图（一)采用二极管单相桥式整流，通过电容的充放电过程实现滤波功能,三极管为调整管，利用PWM控制调整管的开通于关断实现电路的开关功能，采样电路与电压比较环节共同实现电压的调节作用，保护电路为截流行过流保护。方案二：方案二原理方框图如图2所示比较放大比较放大整流滤波输出市网输入整流滤波输出市网输入PWM控制PWM控制保护电路采样电路调整管保护电路采样电路调整管图2开关稳压电源电路的原理框图（二）方案二与方案一明显的不同在于，方案二中调整管的位置决定了方案二为并联型稳压电路.方案选择:两套方案中均采用PWM脉宽控制，在开关管导通周期不变情况下对其导通时间(占空比）的调节，实现开关稳压作用，但关键在于，方案一为串联稳压型电路,又称降压型稳压电路,即输入的电压大于输出电压，方案二为升压型稳压电路,实验要求稳压电路的输出为5V～24V，不需要升压过程,所以本次设计采用方案一完成。三、电路设计1、主电路（换能电路）主电路图主要应用的是串联型脉宽开关控制电路接法，电路如图3所示：图3PWM控制总电路开关稳压电路的换能电路将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压，晶体管Q1为调整管（即开关管），三极管基极输入为矩形波,控制开关管的工作状态，电感L与电容C组成输出滤波电路，D为续流二极管.当基极为高电平时,Q1饱和导通,D3因承受反压而截止，电感L存储能量,电容C充电；发射极电位Ue近视等于输入电压.当基极电压为低电平，Q1截止，此时虽然发射极电压为0，但是电感释放能量,其感应电动势使D3导通，C放电，负载电流方向不变。2、整流滤波电路稳压电源的电源主要采用市网电压,首先需要将正弦波交流电源调整成为所需的直流输入。电路如图4所示:V1V1220Vrms50Hz0°D11243T24321C150UoU2图4降压整流滤波电路电路的电源为市网220V,50Hz，用变压器对电压降压，变比为220/30=7。33，输出电压为30V。单项桥式整流克服了半波整流仅适用于整流电流较小,对脉冲要求不高的缺点，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期呢负载的电压与电流方向始终保持不变.滤波电路采用的是电解电容，容量较大，利用电容的充放电过程是输出的电压趋于平稳。Uo≈1。2U2二极管选择：Urm>1.1eq\r（2,2）U2=46。66VIf>1.1＊Io/2=1。1eq\r(2,2）U2/π＊piRl3、调压电路Q1Q1R3R250%U1A321141VCC12VDZR170VCC321VEE-12VVEER1k456图5电压调节电路晶体管Q1为调整管，电阻R与稳压管DZ构成基准电压电路,电阻R1，R2，R3为输出电压的采样电路，集成运放作为比较放大电路，为了是输出电压可调,也为了加深电压负反馈以提高输出电压的稳定性，所以通常在基本调整管稳压电路的基础上，引入放大环节。电阻选择:Uomin=（R1+R2+R3）/（R2+R3）*UzUomax=（R1+R2+R3）/R3*Uz实际调试电路中Uz=3。265v,R1=26。8kΩ，R2=40kΩ,R=10.05kΩ。4、PWM控制电路U2AU2ALM358NU4ALM358NR21k?R5R61k?R450%VCC24VR3R7U3ALM358NVEE-24VD31N4449L11HC4820uFQ1图5控制电路U1AU1ALM358N32481U2ALM358N32481VEE-12VVEE-12VVCC12VVCC12V00VCCVEEVEEC1910nFVCCR1500¦¸R21k¦¸23R3250¦¸1D25VD15V504图6三角波发生电路滞回比较器（U1A）输出的电压U01=±Uz，输入电压为积分电路(U2A）的输出电压Uo，积分电路正相积分，Uo随时间增长线性增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大,Uo将从—Uz跃变回+Uz，回到初态，积分电路反相积分,并重复以上过程，因此产生三角波振荡电路.采样电压Un1与基准电压Uref之差，经U4放大后作为U3组成的电压比较器的阀值电压Up2，三角波发生电路的输出电压与之相比较,得到控制信号Ub,控制调整管工作状态。5、保护电路图7截流型保护电路电路截流型过流保护电路,Q1为调整管，R7为采样电阻，它与Q2，R10，R11构成保护电路，I0增大,Ube2增大，未过流时，Ube2〈Uon,Q2截止，当I0增大到一定数值或输出端短路时，Q2导通，对调整管Q1基极分流,是I0减小，从而导致输出电压U0减小输出最小值：I0=Uon/kR0（k=R2/（R1+R2)）.四、性能的测试1、整流滤波电路C1C1500nFV1220Vrms50Hz0°T221XMM234XSC1ABExtTrig++__+_60D11B4B421243测量数据：C=500nF周期T=10ms频率f=100Hz变压器副边电压为30v2、电压调节电路电路的初步组成测试显示，当滑动变阻器调至顶端，输出电压接近为5V，调至低端时输出电压接近25V，初步测试成功。4、三角波发生器电路三角波周期为2ms，峰值为5v。5、电路整体性能测试五、结论综合运行以上各项并认真测试，可确定此可调开关稳压电源电路，在运行过程中基本能够完成设计要求，实现了输出为5V~25V的可调范围正常工作，具有短路及过流保护功能，并可以工作在开关状态，符合设计要求。计算值与测量值存在误差，以测量值为主。六、性价比该电路主要使用到变压器，二极管全波整流桥，集成运放，二极管（含稳压二极管），电感，电容(含电解电容)，滑动变阻器，电阻等器件，均为模拟器件，通过对各元件功能的统一了解和掌握，并利用他们之间的关联而设计,开关型电源出现简易的雏形.所用元器件种类较少，价格较低廉，美中不足在于没有数字管的介入，数字管与模拟管的结合，电路的会更精简且精准。七、课设体会及合理化建议在本次课程设计中,发现了在模拟电子方面自身还有很大的不足,在多方面的查找资料与请教老师同学后,才对这门课程有了更深一步的了解和掌握,通过查阅资料，才懂得我们所学的狭隘与简陋，大量的书籍资料是成功的向导。我认为此次课程设计,从理解课题，到思索对策，寻找方法，到查阅书籍，发现问题解决问题，再到实际仿真测试，无一不是对我们的实践能力，动手能力，以及思维的拓展有者巨大帮助的,虽然时间短暂,但是收获颇丰.在紧张的课设过程中发现,课题的新意与经典是需要结合的，比如说一些经典的理论知识是走到哪都能用的，还有一些东西是需要自己查找的，这样不仅能“温故”，更能“知新”。同时，我还发现了一些问题,比如说一种器件，在仿真过程中工作起来特别方便可靠，但是在实际中并非如此，要同时考虑到多方面因素的影响。课本上的东西也不都是对的，至少现代工艺上也处在发展之中,所以抱有怀疑的态度学习,也是一种提升自我的方式。实践是检验真理的唯一标准,无论平时学得再好,书本上的东西还是肤浅的，只有在实践中发现了问题，并通过努力把问题解决，这才是真正的掌握知识。接触新的事物,需要的是快速了解，适应与掌握，此次课程设计中的multisim软件是我第一次接触，通过上网查询与逐步学习，现在基本能够利用软件独立设计电路方案，当自己精心努力做出来的设计方案可以运行成功，心里着实充满了喜悦，同时也激励着我们继续向前.知识和生活是不可分割的,在学习中成长，在生活中实践，不断的充实完善自我，是这次课程设计中让我感受最深的，也是在我今后的学习工作中伫立的航标灯。参考文献[1］童诗白、华成英。模拟电子技术基础.[M]北京:高等教育出版社，2006年［2］阎石。数字电子技术基础.[M］北京：高等教育出版社，2006年［3]候振义、夏峥、柏雪倩、孙进.直流开关电源技术及应用。［M］北京:电子工业出版社，2006年［4］王增福、李农、魏永明。新编常用稳压电源电路.［M］北京：电子工艺出版社，2005年[5］李定宣.开关稳定电源设计与应用。[M]北京:中国电力出版社，2006年［6］梅开乡、梅军进.电子电路实验。［M]北京：北京理工大学出版社,2010年附录I总电路图附录II元器件清单序号编号名称型号数量1T2变压器Ts_Ideal12D1整流桥1G4B213C1电解电容500nf14C4电容820uf15C3电容6mf16R1电阻1.5k17R