直流穩(wěn)定電源設計方案書報告

1、直流穩(wěn)定電源設計報告參賽小組： 參賽隊員： 指導老師： 時 間：29 / 22目錄摘要Abstract1. 設計任務及要求2. 設計方案及硬件電路設計 .2.1. 直流穩(wěn)壓電源2.1.1. 電路方案選擇2.1.2. 元件參數分析2.2. 直流穩(wěn)流電源2.2.1. 電路方案選擇2.2.2. 元件參數分析2.3. DC-DC 變換電路 2.3.1. 電路方案選擇2.3.2. 元件參數分析24 MSP430F149顯示采集電壓 2.4.1. 器件介紹2.4.2. 硬件設計2.4.3. 軟件設計3. 仿真及分析4. 實驗結果數據分析5. 實物制作6. 參考文獻7. 心得體會附錄：摘要隨著現代科技的發(fā)展

2、，電工電子方面也有了很大的進步。電源作為電氣、 電子設備必不可少的能源供應部件， 需求日益增加， 而且對電源的功能、 穩(wěn)定性 等各項指標也提出了更高的要求。 對電源的研究和開發(fā)已經成為新技術、 新設備 開發(fā)的重要環(huán)節(jié)， 在推動科技發(fā)展中起著重要作用。 本設計分別用串聯型線性穩(wěn) 壓電路，串聯調整式穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路設計直流穩(wěn)壓電源， 運用放大和 反饋電路直流穩(wěn)流電源和 DC-DC 升壓變換器。通過相關知識計算出各電路中各 個器件的參數， 使電路性能達到設計要求中的電壓調整率， 電流調整率， 負載調 整率，紋波電壓等各項指標。在通過 TI 公司推出的超低功耗 MSP430 系列單片 機顯示設

3、計電源輸出電壓，讓設計更加智能化。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途關鍵詞 ：電源；穩(wěn)壓電路；穩(wěn)流電路； DC-DC ；MSP430 單片機Abstract : Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already been widespread applied in daily, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energ

4、y-supply part of electrical and electronic instruments, its demand increases day by day, and also been set a higher request to function, stability and so on each target. The power supply research has already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. It

5、 pslaying the vital role in the impetus of science and technology development. This design separately uses series linear constant voltage circuit, series regulate constant current circuit and the feedback type contravariant circuit to design direct current constant voltage power supply, direct curre

6、nt constant current power supply and DC-DC converter. We must calculate various each component parameter in the circuits by correlated knowledge and enable the circuit performance to meet in the design requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rat

7、e, ripple voltage and so on. 個人收集整理 勿做商業(yè)用途Key Words : Power Supply ； voltage stabilizer ； Steady Stream ； DC-DC ； msp430Single Chip Microcomputer 個人收集整理 勿做商業(yè)用途1. 設計任務及要求1.1.任務 設計并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。1.2 要求1.2.1 基本要求（1）穩(wěn)壓電源在輸入電壓 220V、50Hz、電壓變化范圍+15%20%條件下：a. 輸出電壓可調范圍為 +9V+12Vb. 最大輸出電流為 1.5AC.電壓調整率 0.2%（輸入

8、電壓220V變化范圍+ 15%20%下，空載到滿載）d. 負載調整率 1%（最低輸入電壓下，滿載）e. 紋波電壓（峰-峰值） 5mV（最低輸入電壓下，滿載）f .效率40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g.具有過流及短路保護功能（2） 穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為+12V的條件下：a. 輸出電流：420mA可調b. 負載調整率 1%（輸入電壓+ 12V、負載電阻由200 Q300 Q變化時，輸出電流為 20mA 時的相對變化率） 個人收集整理 勿做商業(yè)用途（3）DC-DC 變換器在輸入電壓為 +9V+12V 條件下：a. 輸出電壓為+100V，輸出電流為10mAb. 電壓調整率 1%（

9、輸入電壓變化范圍+9V+12V ）c. 負載調整率 1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d. 紋波電壓（峰-峰值） 100mV（輸入電壓+9V下，滿載）1.2.2 發(fā)揮部分（1）擴充功能a. 排除短路故障后，自動恢復為正常狀態(tài)b. 過熱保護c. 防止開、關機時產生的 過沖”（2）提高穩(wěn)壓電源的技術指標a. 提高電壓調整率和負載調整率b. 擴大輸出電壓調節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（3）改善 DC-DC 變換器a. 提高效率（在 100V、100mA下）b. 提高輸出電壓（4）用數字顯示輸出電壓和輸出電流2. 設計方案及硬件電路設計2.1. 直流穩(wěn)壓電源2.1.1 電路方案選擇方案一：經變壓器輸

10、出的直流經開關電源穩(wěn)壓輸出。但此方案產 生直流電壓紋波大，在后幾級電路中很難加以抑制，因此不可行。 個 人收集整理 勿做商業(yè)用途 方案二：經變壓器輸出后，直接進入由分立元件搭建的線性穩(wěn)壓電路， 線性穩(wěn)壓電路輸出值可調， 優(yōu)點所需元件簡單，缺點元件多參數難 以控制， ，。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途01jnQ1I2 N 30 55A1N4Q07D221N40-0IG3TE._AUDIO_10_TOJC233F-.XSDOkQKey=A110%R5 icikn心470mFQ2E2M3702RG 10kD2N2222方案三：在方案二的基礎上選用三段集成直流穩(wěn)壓電器Im317, Im317輸入電壓30

11、v左右，輸出1.2537v可調電壓。且最大輸出電流1.5a, 電壓調整率0.1%,80db紋波抑制比，自帶輸出短路保護，過流，過熱 保護電路 。 個人收集整理勿做商業(yè)用途Q32N2222A丄州33 V呂22Q4 C110pFQ12H2SJ5FR1口D1冊002LM117MVH4R3200QD2刃N4002H91Mi0417pFRdR5* C31CpF比較上述三種方案，決定選用方案三。因為其穩(wěn)壓性能好，適用范圍比較寬廣2.1.2元件參數分析2.2. 直流穩(wěn)流電源2.1.1電路方案選擇方案一：基本思想是利用7805集成基推電壓源，其3端與1端之間固定壓降為5v，流經電阻后產生恒穩(wěn)的電流。 個人收集

12、整理勿做商業(yè)用途(1)不加三極管的方案，如下圖這是一種被普遍采用的產生恒流的方法，但它有兩點不足。一是集成塊的靜態(tài)電流作為負載電流的一部分，當前者隨輸入 電壓及負載的變化而變化時，會影響后者的穩(wěn)定；二是該電路不能提供小于I (a dj)的恒流。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途圖2 6 不用三極管的穩(wěn)流電路(2)使用三極管的方案。如下圖：針對上一種方案，我們進行了改進，加進 了一只三極管，則靜態(tài)電流I (adj)由三極管e、c極提供，而流經RL的靜態(tài) 電流僅為I (adj)的1/(1+x)該電路能提供比I (adj)還小的恒定電流。個人收集整 理勿做商業(yè)用途圖27使用三極管的穩(wěn)流電路設計中由于不需要

13、太低的電流 ，所以不符合題目要求。方案三:比較上述三種方案，決定選用方案三。因為其穩(wěn)流性能好，適用范圍比較寬廣2.1.2元件參數分析穩(wěn)流電路;輸出級LM324的同向電壓 V和反向電壓VN分別為VpV4 + Vo R3R3R4R3R4VnVoRiRiR2根據放大器特性， Vp=Vn，取Vo Vo Vr ,則上的壓降（V。V。）等于基準電壓 Vr，計算得到R.| = R2 = R3 = R。則輸出電流為Io %調節(jié)電位器可得到輸出電流范圍420mA。2.3. DC-DC變換電路2.3.1電路方案選擇方案一：-：-；：. T：r ： ： 2Q0JD1irMOO116&0k0:R5 ：-WV-采用Bo

14、ost型DC-DC升壓器。這種電路結構簡單，容易實現，但輸入輸出電壓比太大，占空比大，輸出電壓范圍小，難以達到較高的指標。個人收集整理勿做商業(yè)用途方案二：以TL494為控制核心，以功率晶體管IRF630、整流二極管HER107和高頻變壓器，以及阻容元件構成。TL494內部結構見附件2，電路原理如圖8所示。TL494產生一定頻率PWM波，控制功率 晶體管導通和截止。當IRF630受控導通時，高頻變壓器將電能轉變成磁能儲存起來，當IRF630截止時，高頻變壓器原、副邊電壓極性 改變，HER107由反偏變?yōu)檎珜?，高頻變壓器將原先儲存的磁能 轉變?yōu)殡娔埽ㄟ^整流和LC濾波網絡變成直流向負載供電。

15、個人收集整理勿做商業(yè)用途K1J VV REFR11RwR12VOutTL494產生開關頻率控制功率晶體管，并且產生基準電壓Vref。輸出電壓為取R11=1OOK, R2=2.5K,調節(jié)電位器 Rw=3.125K，則可計算得輸出電壓 Vut =100V。比較上述二種方案，決定選用方案二。因為，能夠更加精確控制 輸出的電壓，且輸出范圍較大，滿足指標。2.3.2元件參數分析變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電變壓器原理圖 流時，鐵芯中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫

16、次級線圈。市面上很難買到適合題目要求的高頻變壓器，因此我們選擇自己繞制。個人收集整理勿做商業(yè)用途輸入電壓最小值 Vin=9V，最大占空比 入啦=0.45，要求輸出電壓 U=100V，電流I=10mA，得變壓器功率個人收集整理勿做商業(yè)用途POU I 100 0.01 1W取f=40KHz，則變壓器繞阻電感量LpVin_=9 0.45/(0.0140000) =10.1mHI f匝數比N1n2 Vo 11 Dv =(100+1)max vin(1-0.45)/(0.459)=132.4. MSP430F149顯示采集電壓2.4.1.器件介紹（1）MSP430單片機MSP430的性能MSP430系列

17、單片機是美國德州儀器（Tl）1996年開始推向市場的一種16位 超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor。稱之為混合信號處理器， 主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在 一個芯片上，以提供 單片”解決方案。個人收集整理勿做商業(yè)用途MSP430 特點：MSP430系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的 特點。強大的處理能力 MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡 指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令； 大量的寄存器

18、以及 片內數據存儲器都可參加多種運算； 還有高效的查表處理指令；有較高的處理速 度,在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率 的源程序。 個人收集整理勿做商業(yè)用途首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是 1.83.6V電壓。因而可 使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200400uA左右，時鐘關 斷模式的最低功耗只有 0.1uA。個人收集整理勿做商業(yè)用途豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的 片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A（Timer_A）、 定時器B（Timer_B）、串口 0、1（US

19、ART0、1）、硬件乘法器、液晶驅動器、 10位/12位ADC、IIC總線直接數據存?。―MA ）、端口 16（P1P6）、基本 定時器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序 失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D 轉換器；16位定時器（Timer_A和Timer_B ）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/ 比較寄存器，可用于事件計數、時序發(fā)生、 SPWM等；MSP430系列單片機的 這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 個人收集整理勿做商業(yè)用途MSP430的內部結構圖Figure 1-1. MSP43O Arch

20、itecture（2）12864液晶顯示器本次試驗采用SMG12864G2-ZK液晶顯示模塊，此液晶模塊液 晶顯示模塊是128 04點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊， 可顯示漢字 及圖形，內置國標GB2312碼簡體中文字庫（16X16點陣）、128個 字符（8X16點陣）及64X256 點陣顯示RAM （GDRAM ）?？膳cCPU 直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接 方式。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。個人收集整理勿做商業(yè)用途2.4.2硬件設計在MSP430F149內置一個ADC12模數轉換器，并且采樣速度快， ADC的所有功能都可以通過用戶軟件獨立配置

21、。結構如圖：個人收集整理勿做商業(yè)用途0 J2.l4ci已 7 HA兒斗 hac&a2 co ACKM WP1NCHv-h=rr!p-ie JIWlMeiaTBOTB1kVREJFOirMTWl軟件設計軟件設計的流程圖為醫(yī)山出叮絶棋式LFlWll貞廡采乘刮旳電卑示?禳用壓*3.仿真及分析4.5.-Q2衛(wèi)on2HZC22Aurt(WCPW真 1： %rRGinnnIDkD1 U3.iukn0PD7CPf 2_vce ：./： d i t UZ1DI ： 亍円NV35A 丄丄-I r -七J他卩 ： -15V ： IftlJ:lino: / sun :Key-A1+：-15V ：4. 實驗結果數據分

22、析表1 測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數量備注1示波器Tektronix1Tektro nix2函數信號發(fā)生器 EE164281南京新聯電子設備有限公司3數字萬用表 UT39系列1UNI-T(1) 穩(wěn)壓電源測試 輸出電壓和輸出電流測試。外接負載為5Q、5.6Q、6 Q、7Q、8 Q的功率電阻，調節(jié)電位器，改變輸出電壓(9V12V)，觀察電流表讀數變化。測量結果如下表2所示：個人3所示:收集整理勿做商業(yè)用途12.01 12.0112.01100%表2輸出電壓、輸出電流測試結果電流/A9V12V5Q1.76-2.355.6 Q1.60-6Q1.491.987Q1.281.718Q1.091

23、.49從上表中可以看出，穩(wěn)壓電路完全達到要求。注：如果設定過流保護時的電流為1.60A，以上超過此值的視為無效。負載調整率測試。輸入電壓下，從空載到滿載，測得輸出電壓如下表表2負載調整率測試結果負載空載滿載輸出電壓8.98V8.98V12.0V12.0V計算出負載調整率為滿足題目要求。紋波測試。接上負載后用泰克示波器觀察紋波Uc為1.5mv波動，能滿足指標要求。(2) 穩(wěn)流電源測試 輸出電流測試。外接負載阻值為200 Q，調節(jié)電路中的電位器用萬用表測出輸出電流最小值和最大值。測試結果如下表3所示：個人收集整理勿做商業(yè)用途表3穩(wěn)流輸出電流測試結果項目最小值最大值輸出電流mA3. 9925.3結果

24、表明：輸出電流可以在 420mA范圍內可調。 負載調整率測試。用萬用表分別測出負載為 200 Q和300 Q時的輸出電流，結果如下 表4所示：表4穩(wěn)流負載調整率測試結果負載200 Q300 Q輸出電流mA20.0120.012.01 2.01 100% 0計算出負載調整率為20.01I(3) DC-DC變換器測試 輸出電壓和電流測試電路見附件5所示。測電流所接負載阻值為10K，測試結果輸出電壓 U=100V，輸出電流I=10mA。個人收集整理 勿做商業(yè)用途 電壓調整率測試。在輸入 912V電壓下，用萬用表直接測輸出電壓，結果如下表5所示：表5 DC-DC電壓調整率測試結果輸入電壓V912輸出電

25、壓V計算電壓調整率為100100.1100.1 100100100%0.1%10K測試, 負載調整率。測試電路見附件6所示，輸入電壓為12V下，滿載阻值為結果如下表6所示:表6 DC-DC負載調整率測試結果負載空載滿載輸出電壓V100100.1計算負載調整率為U100.1 100 , ,100% 0.1%U100 紋波電壓測試。輸入電壓9V下，滿載，用泰克示波器直接測出紋波電壓最大為70mV左右。5. 實物制作6. 參考文獻【1】黃志偉 全國大學生電子設計競賽訓練教程電子工業(yè)出版社2010.6【2】余小平 電子系統(tǒng)設計北京航空航天大學出版社2007.3【3】吳友宇模擬電子技術基礎清華大學出版社

26、2009.056. 心得體會7. 我們組從選題一一分析題目一一拿方案一一搭建電路一一仿 真一一參數計算一一選擇合適的器件一一做實物一一調試一一完 成?；怂奶鞎r間，在這過程中我們遇到了很多的麻煩和問題， 但經過我們組的共同努力，慢慢的克服了它，給我們的收益很大。個人收集整理 勿做商業(yè)用途8.9.10.11.首先我們拿到題目“直流穩(wěn)壓電源” ，它由四個部分組成變 壓穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源、dc-dc，我們討論之后決定一人 做兩部分，在設計變壓器時就一個交流降壓再二極管交流變直流， 沒有多大問題，但在穩(wěn)壓電源，首先是想直接通過穩(wěn)壓電路輸出 但紋波波動太大對后級電路不利，然后想到的是用晶體管搭建電 路，

27、雖然所選器件簡單，但所涉及參數太多不好調試。最后在第 二個方案的基礎上運用集成穩(wěn)壓器件Im317,穩(wěn)壓效果好，且輸出 電壓在1.25-37V可調。最大電流輸出 2a。個人收集整理勿做商業(yè)用途選中器件后，就開始搭電路仿真，在網上查找器件的通用電 路，搭好基本電路之后，然后考慮短路，過流，過載，輸出最大 電流電路，對電路進行改進。通過不斷額查資料到改變參數調試。 通過了解 Im317 的特性，發(fā)揮它最大的用處。最后終于拿出電路。 測試負載調整率0紋波抑制1.5mv。由此說明仿真還是比較成功。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途做實物，在這過程中因實驗室沒有我要的晶體管，所以我就 用 s9013 和 s90

28、12 代替，但沒想到卻把負載燒壞了，后面才明白 s90 1 3是低功率的晶體管不能代替高功率的三級管， 說明自己還是 沒有完全明白，以后要認真分析每一部分，因為電路設計是需要 耐心的。在購回器件然后搭建電路之后，電路正常工作，但因器 件及溫度的原因，實際值與理論值還是有差別。但差別不大，說 明我們是完成了的 。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途通過幾天的努力，我覺得我們是勉強完成任務，但收獲確是很大，最主要的是增強了團隊精神，因此我們以后還要再接再厲，做出更好的作品 。 個人收集整理 勿做商業(yè)用途附錄源程序：#include msp430x14x.h#include ADC_Func.h#include Yjd12864.huint resultsNum_of_Results; ulong average;/ 保存 ADC 轉換結果的數組