電子CAD設(shè)計(jì)報(bào)告規(guī)范文檔—12V雙極性電源的設(shè)計(jì)

1、電子線路CAD綜合訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 12V雙極性穩(wěn)壓電路 學(xué) 號 班 級 電子112班 學(xué) 生 趙 銳 指導(dǎo)教師 楊 媛 2013 年目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求32直流穩(wěn)壓電源33電路設(shè)計(jì)43.1變壓器43.2整流電路53.3 濾波電路63.4 穩(wěn)壓電路84 PCB設(shè)計(jì)104.1 Altium Designer winter 09 簡介104.2原理圖的繪制114.3 PCB封裝的添加與繪制114.4 元器件排版PCB的生成124.5 布線、覆銅及 DRC檢查125仿真165.1 Multisim簡介165.2 Multisim對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真165.3 仿真結(jié)果176總結(jié)18參考文獻(xiàn)19

2、1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)一個輸入220V交流電壓，經(jīng)雙路變壓（兩路16V）、整流、雙路穩(wěn)壓后輸出12V直流電壓電源。完成電路原理設(shè)計(jì)，元件選取及參數(shù)計(jì)算，并完成PCB制板，進(jìn)行軟件仿真。2直流穩(wěn)壓電源在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。它由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分電路組成，如圖1-1所示：圖1-1直流電源的方框圖（1） 降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。（2） 整流電路，整流電路將交流電壓變換成脈動的直流電壓。再

3、經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。（3） 濾波電路，可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4） 穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。3電路設(shè)計(jì)整體原理圖如圖3-1所示：圖3-1整體電路原理圖3.1變壓器按設(shè)計(jì)要求，變壓器為220V輸入雙路16V輸出，考慮到負(fù)載功率的問題，應(yīng)該選擇功率較大的變壓器，本設(shè)計(jì)中選定EI型全銅變壓器 220V轉(zhuǎn)16V交流 35W電感變壓器 。35W已經(jīng)完全滿

4、足設(shè)計(jì)要求和安全功率。原理圖和PCB封裝分別如圖3-2和圖3-3所示： 圖3-2變壓器原理圖 圖3-3變壓器PCB封裝 3.2整流電路 本次設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路，它由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓的整個周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終不變。整流橋如圖3-4所示 圖3-4單相橋式整流路在u2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖3-5所示：圖3-5整流電路輸出波形（1） 輸出電壓平均值 （3-1） 解得 （3-2） 則 （3-3）（2）

5、輸出電流平均值 （3-4）在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半 （3-5）電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為=22.6V(U2是變壓器副邊電壓有效值)。 （3-6）在實(shí)際電路中，考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍為，故在選用二極管時，至少應(yīng)該有10%的余量，選擇最大整流電流和最高反向工作電壓分別為： （3-7）V （3-8）根據(jù)和可以確定二極管，本次選用1N4002，其最大整流電流為1.0A，最大反向電壓100V，最大功耗3W，它完全符合設(shè)計(jì)要求。3.3 濾波電路整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是還含有較大的交流成分，不能直接

6、用于大多數(shù)電子電路及設(shè)備的電源。因此，在整流后，還需要設(shè)計(jì)一個濾波電路來將脈動直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。濾波電路有許多種形式，常見的有：電容濾波電路、電感濾波電路、LC濾波電路以及RC或LC型濾波電路。表3-1為各種濾波電路的性能比較。表3-1 各種濾波電路性能的比較性 能類型電容濾波電感濾波LC濾波RC或LC型濾波1.20.90.91.2小大大小適用場合小電流負(fù)載大電流負(fù)載適應(yīng)性較強(qiáng)小電流負(fù)載濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波。在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。在本設(shè)計(jì)

7、中，選用最簡單易行的電容濾波電路。如圖3-1中，電容C1到C8都為濾波電容。其中小電容C3，C4，C7，C8一方面能消除PCB導(dǎo)線感抗對電源的影響，防止自激震蕩；另一方面也能濾去電壓中的高頻部分。直流輸出電壓：(3-9)直流輸出電流：(3-10)是變壓器副邊電流的有效值。RLC(為負(fù)載阻值)越大，電容器放電越慢，輸出電壓平均值越大。一般可選放電時間常數(shù)RLC大于C的充電周期(35)倍。對橋式整流來說,C 的充電周期等于交流電網(wǎng)周期的一半，即 (3-11)，設(shè)計(jì)選取(3-12)式3-12中，T為電容的充電周期，RL為負(fù)載電阻， (3-13) (3-14)由于采用電解電容，考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍

8、為10%，電容的耐壓值應(yīng)大于。結(jié)合上面的數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)選取了電解電容C1，C2，C5，C6，耐壓值25V，3uF；C3，C4，C7，C8為陶瓷電容，容值0.1uF。3.4 穩(wěn)壓電路雖然整流濾波電路能將正弦電流電壓轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之波動；另一方面，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時，內(nèi)阻的電壓隨之改變，于是輸出電壓平均值也就隨之產(chǎn)生相反的變化。所以，為了得到輸出穩(wěn)定的直流電壓，經(jīng)整流濾波后的直流電壓必須采取一定的穩(wěn)壓措施才能適合電子設(shè)備的需要。本設(shè)計(jì)選用固定式三端穩(wěn)壓器。W78xx

9、/W79xx。其中，78系列輸出正電壓，79系列輸出負(fù)電壓，xx代表所能穩(wěn)定輸出的電壓值。它們有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)定的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷螅湍塬@得各種不同的電壓和電流。文中選用W7812三端正電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定+12v電壓；選用W7912三端負(fù)電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的-12v電壓。具有如下特點(diǎn)：（1）短路電流230mA,峰值電流2.2A，但是當(dāng)輸出電流超過1.5A時，就需要提供足夠的散熱片；（2

10、）輸入電壓極限值35v，輸出電壓典型值為12V，最大值12.6V；（3）熱過載保護(hù)；（4）短路保護(hù)；（5）輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)；78xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿； （3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。 LM7812/LM1912引腳分布圖如圖3-6所示：圖3-6 LM78系列引腳分布圖其中，對于W7812：1端為輸入端，2端為公共端，3端為輸出端。對于W7912：1端為公共端，2端為輸入

11、端，3端為輸出端。下圖3-7為輸出原理圖：圖3-7 輸出原理圖其中，正常時，輸入與輸出之間的電壓不得低于2V。用于實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾。圖3-8為原理圖元件報(bào)表圖3-8元件報(bào)表4 PCB設(shè)計(jì)4.1 Altium Designer winter 09 簡介 Altium Designer winter 09是業(yè)界第一款也是唯一一款一體化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決方案。Altium Designer winter 09是業(yè)界首例將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB設(shè)計(jì)、可編程器件（如FPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，是一種同時進(jìn)行原理圖、PCB和

12、FPGA設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決法案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品所需的全部功能。它強(qiáng)大的圖形處理功能，非常友好和合理的人機(jī)交互界面，是電子設(shè)計(jì)入門的必選軟件。本次課設(shè)就用它來設(shè)計(jì)原理圖和PCB，圖4-1展示了其優(yōu)秀的人機(jī)交互界面。 圖4-1 Altium Designer winter 09的界面圖形4.2原理圖的繪制在Altium Designer winter 09中，原理圖繪制是非常簡單的一件事，只要從原理圖庫中找到對應(yīng)元器件的原理圖，直接放置就OK，如果沒有現(xiàn)成的圖庫，自己畫一個也是很快的。如圖4-2是用Altium Designer winter 09畫的本次設(shè)計(jì)的整體原理圖

13、。圖4-2 雙極性穩(wěn)壓電源原理圖4.3 PCB封裝的添加與繪制把原理圖畫完之后，檢查電氣連接是否正確，之后就需要給各個器件逐個加上封裝，編輯各個器件的Pin屬性，確保不出現(xiàn)系統(tǒng)編譯錯誤。好多器件封裝能直接在PCB封裝庫里找到，但也有一些器件找不到，這就需要自己畫PCB封裝，建立封裝庫，并把它添加到PCB封裝庫里邊。如圖4-3為自己畫的220V輸入端的PCB封裝，圖4-4為接線柱的實(shí)物圖。圖4-3 220V輸入端PCB封裝 圖4-4 接線柱實(shí)物圖圖4-5 7812（7912）PCB封裝 圖4-6 7812（7912）實(shí)物圖 圖4-7 電解電容PCB封裝 圖7-8 電解電容實(shí)物圖4.4 元器件排版

14、PCB的生成全部封裝添加完成，進(jìn)行ERC檢測無報(bào)錯后，直接生成PCB，刪除ROOM空間，進(jìn)行手動元件布局，在不影響電路性能的基礎(chǔ)上，盡量使他們看上去合理、美觀。圖4-7為元件布局圖。圖4-7 元件手工布局效果圖4.5 布線、覆銅及 DRC檢查排好版后，在布線之前，應(yīng)先進(jìn)行PCB規(guī)則設(shè)計(jì)，主要對布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，4-8所示：圖4-8 PCB規(guī)則及約束編輯器按照設(shè)計(jì)要求，和PCB設(shè)計(jì)規(guī)范，主要對走線寬度、布線優(yōu)先級及走線拓?fù)洳季值茸隽嗽敿?xì)的設(shè)定，其余的規(guī)則默認(rèn)系統(tǒng)設(shè)定。之后在PCB區(qū)域劃定允許走線范圍，進(jìn)行DRC檢測無誤后進(jìn)行自動布線。如圖4-9所示：圖4-9布線后的PCB檢查確認(rèn)連線無誤后，對P

15、CB進(jìn)行覆銅，淚滴，最后PCB正反面圖如圖4-10所示及4-11所示：圖4-10 PCB正面圖圖4-11 PCB反面圖DRC檢查截圖如圖4-12所示：圖4-12DRC檢查截圖到此為主，一塊完整的PCB板可以說已經(jīng)繪制完成，下一步就可以投版制板了。圖4-13為3D仿真圖： 圖4-13 3D仿真圖形5仿真5.1 Multisim簡介Multisim是一個專門用于電子線路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，它界面形象直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，引起了廣大電子設(shè)計(jì)工作者的關(guān)注，并迅速得到推廣使用。它仿真功能十分強(qiáng)大，可幾乎100%地仿真出真實(shí)電路結(jié)果，而且在它的桌面上提供了各種各樣的電子工具，如萬

16、用表、示波器、信號發(fā)生器和邏輯分析儀等，所以它不僅可以供電子設(shè)計(jì)工作者使用，也可以為教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。圖5-1為Multisim 11.0界面截圖：圖5-1Multisim界面截圖5.2 Multisim對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真經(jīng)過理論的計(jì)算，基本上確定了元器件的參數(shù)，但我們并不知道在具體電路中我們根據(jù)理論依據(jù)所得到的值是否正確，用實(shí)際電路，實(shí)際的電子器件進(jìn)行驗(yàn)證是最可靠的做法，但有時候很難去這么做，所以，我們一般都是先在 Multisim進(jìn)行軟件仿真，進(jìn)一步確定具體參數(shù)。下圖分別是在 Multisim中繪制的原理圖和仿真結(jié)果。圖5-2 仿真原理圖5.3 仿真結(jié)果下圖是仿真結(jié)果： 圖5-3 仿真結(jié)果從仿真結(jié)果看，輸出電壓有小范圍的波動，分析原因?yàn)椋杭煞€(wěn)壓模塊自身有較大的干擾，導(dǎo)致不能精確穩(wěn)壓。改進(jìn)措施為：購買質(zhì)量合格的穩(wěn)壓集成模塊，選擇合理的元件參數(shù)。6總結(jié)經(jīng)過這些天的努力，本次課設(shè)基本已經(jīng)按要求完成，雖然還有許多地方還不讓人滿意，但是我會繼續(xù)盡我最大的努力來完善這個作品的。在本次課設(shè)中，我遇到了許許多多的問題，這些問題都是在實(shí)際實(shí)踐中暴露出的，這讓我明白理論和實(shí)踐之間是有區(qū)別的，也讓我更加堅(jiān)定了自己堅(jiān)持在實(shí)踐中尋求技術(shù)和真理的信念。最后我衷心的感謝在本次課設(shè)中幫助過我的老師和同學(xué)，沒有你們的幫助和支持鼓勵，我