集成直流穩(wěn)壓電源課程設(shè)計

1、1 總體電路設(shè)計1.1 設(shè)計要求和整體電路圖1.1.1 設(shè)計任務(wù)分析該設(shè)計課題要求有三檔直流電源輸出，分別為12v、+5v、+3+9v三種不同的電壓值。并且采用220v交流供電，初步設(shè)想需要變壓器，使220v交流轉(zhuǎn)換成低電壓交流信號。再經(jīng)過整流電路，將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枺詈蠼?jīng)過濾波與穩(wěn)壓，最終輸出三檔直流信號，達到設(shè)計的初步要求。在設(shè)計過程中，紋波電壓vop-p5mv是十分難辦到的，需要在濾波過程中注意。1.1.2 整體電路圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)，電路流程圖如下：圖1.11各流程模塊輸出電壓波形：圖1.12流程圖模塊說明：電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓

2、u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響，保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。1.2 電路方案選擇1.2.1 采用分立元件與集成穩(wěn)壓器件的比較集成穩(wěn)壓電源中，集成電壓調(diào)整器和開關(guān)電源集成控制器的電路形式與分立元件電路路大體相同，例如，串聯(lián)線性集成電壓調(diào)整器基本上也是由取樣、比較放大、基準源、調(diào)整電路等部分所組成，但作為集成電路還有一些使串聯(lián)線性集成電壓調(diào)整器在電路形式上與分立元件電路有所不同的特點：一、在集成電壓調(diào)整器的電路中，比較放大部分均采用對稱性好、溫漂小的差動放大電路，以利于提高其質(zhì)量。二、集成電壓調(diào)整器的輸出功率大都

3、超過1w，所以，它是一種功率集成電路。要使它具有良好的技術(shù)性能，熱效應(yīng)是一個必須考慮的重要因素。這就要求在基準電壓源(參考電壓源)設(shè)計時，必須設(shè)置零溫度系數(shù)的輸出基準電壓(或參考電壓)。三、集成電壓調(diào)整器的電路小，除限流、短路、安全工作區(qū)等保護外，為防止熱破壞，還應(yīng)有熱保護電路，即熱關(guān)斷電路。四、因為就集成電路而言，多增加幾只晶體管并不難，因此，為了提高其電性能，往往把集成電壓調(diào)整器的電路設(shè)計得比分立元件電路稍微復(fù)雜一些。五、為了擴大應(yīng)用范因，在集成電壓調(diào)整器的電路設(shè)計中，必須考慮使其具有外接元件的靈活性。六、由于集成電路自身的特點，在進行電路設(shè)計時，一方面應(yīng)盡量采用晶體管，少用電阻、電容，避

4、免電感；另一方面，其性能應(yīng)僅僅同電阻相對值有關(guān)即電阻比值有關(guān)，避免與電阻絕對值有關(guān)。七、分立元件結(jié)構(gòu)簡單，可用常用分立元器件，容易實現(xiàn)，技術(shù)成熟，完全能夠達到技術(shù)參數(shù)的要求，造價成本低，精確度不是太高。八、集成穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓部分需采用一塊三端穩(wěn)壓器其他分立元器件，元器件先進，技術(shù)成熟，完全能達到題目要求，性能較方案一需優(yōu)越一些，但成本高。綜上分析，按照本設(shè)計課程的要求，采用分立元件設(shè)計電路成本低，易于購置。但是設(shè)計、調(diào)試難度太大，周期很長，尤其是短時間內(nèi)手工制作難以保證可以實現(xiàn)，且難得達到設(shè)計要求，故采用集成穩(wěn)壓器件設(shè)計電路。1.2.2 用三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計方案選擇1 電路工作原理由電源變壓器將電

5、網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓，整流二極管組成單相橋式整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，再經(jīng)濾波電容濾除紋波。經(jīng)過穩(wěn)壓器件，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器能輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，lm7805輸出+5v直流電壓，lm7912和lm7812組成雙12v電源輸出。2 電路整體原理圖根據(jù)方案，選擇圖1.21的電路原理進行設(shè)計制作：圖1.2-11.3 電路模塊設(shè)計和元器件參數(shù)選擇1.3.1 變壓器模塊由一擋的性能指標要求得令副邊電壓為18v，副邊電流i2100ma則令其為0.5a所以副邊功率p29w，又n=0.7，所以原邊功率要大于12.9w。由二擋的性能指標要求得令副邊電壓為15v，復(fù)

6、變電流i2300ma，則令其為0.5a，所以復(fù)變功率p28w，又n=0.7，所以元變功率要大于11.4w。由三擋的性能指標要求得由公式可得輸入電壓ui的范圍為：uomax+(ui-uo)minuiuomin+(ui-uo)max9v+3vui3v+40v12vui43v副邊電壓u2uimin/1.1=12/1.1v，取u2=15v，副邊電流i2iomax=0.2a，取i2=0.5a，則變壓器副邊輸出功率p2i2u2=8w。由變壓器的效率為0.7，則原邊輸入功率p1p2/n=11.4w。為留有余地，選功率為20w的電源變壓器。以上三擋的要求選擇功率為20w的電源變壓器。在滿足以上三檔功率后，為能

7、同時滿足三檔輸出，且12v輸出需要雙端電源輸出，則采用雙18v輸出變壓器。根據(jù)lm7805和lm317的輸入要求，需要采用lm7815穩(wěn)壓后，再進行穩(wěn)壓，可以使集成穩(wěn)壓器正常工作。綜上所述，采用雙18v輸出20w變壓器能過勝任實驗要求設(shè)計。變壓之前的電壓圖1.3-1變壓之后的電壓圖1.3-21.3.2 整流模塊半波整流電路的輸出電壓相對較低，且脈動大。兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個整流二極管承受的最高反向電壓相對較大，所以這兩種電路應(yīng)用較少。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，電壓脈動較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時因整流變壓器在正負半周內(nèi)部有電流供給負載

8、，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此本電路采用橋式整流電路。單相橋式整流電路是由四個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖(a)所示。圖(b)所示為單相橋式整流電路的一種簡便畫法。無論電壓u2是在正半周還是在負半周，負載電阻rl上都有相同方向的電流流過。因此在負載電阻rl得到的是單向脈動電壓和電流，忽略二極管導(dǎo)通時的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖所示。圖1.33圖1.34 圖1.351.3.3 濾波模塊濾波電路利用電容或電感在電路中的儲能作用，當電源電壓(或電流)增加時，電容(或電感)把能量儲存在電場(或磁場)個；當電源電壓(或電流)減小時，又將儲存的能量逐漸釋放出來，從而減小了

9、輸以電壓(或電流)中的脈動成分得到比較平滑的直流電壓。實用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波電路(包括倒l型、rc型、lc型濾波)等。電容濾波電路圖1.36濾波原理如圖：圖1.37電容通過rl放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。圖1.38只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流id。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。電容濾波電路的特點：（1）輸出電壓uo與放電時間常數(shù)rlc有關(guān)。rlc愈大電容器放電愈慢uo(平均值)愈大近似估算:uo=1.2u2rlc越大uo越高負載電流的平均值越大;整流管導(dǎo)電時間越短id的峰值電流越大（2）

10、流過二極管瞬時電流很大。（3）輸出特性(外特性)，輸出波形隨rl或c的變化而改變，uo和s也隨之改變。圖1.39結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。濾波電容c可由紋波電壓v0p-p和穩(wěn)壓系數(shù)sv來確定。已知v0=15v，vi=18v，v0p-p=5mv，sv=0.005，則vi=v0p-p*vi/(v0*sv)=1.2v，則c=ict/vi=1500f。電容c的耐壓應(yīng)大于u2=15.4v。為留有余量，故取一只4700f/50v的電容。1.3.4 穩(wěn)壓模塊三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部原理框圖如圖421所示?？梢娝彩遣捎昧舜?lián)式穩(wěn)壓電源的電路，并增加了啟動電路和保護電

11、路，使用時更加可靠。為了使集成穩(wěn)壓器長期正常地工作，應(yīng)保證其良好地散熱條件，金屬殼封裝的一般輸出電流比較大，使用時要加上足夠面積的散片。圖1.3101.集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)有：（1）最大輸入電壓uimax，當整流濾波電路輸出電壓超過uimax時，可能使穩(wěn)壓器的輸出電壓不能穩(wěn)定在額定值。（2）輸出電壓uo，三端集成穩(wěn)壓器分為固定正輸出和固定負輸出兩類。（3）最大輸出電流iomax，不同型號的三端集成穩(wěn)壓器iomax為0.22a。第一檔輸出+12v和-12v電壓電路如圖：圖1.311第二檔輸出+5v電壓電路如圖：圖1.312第三檔可調(diào)式39v集成穩(wěn)壓電路如圖：圖1.313uo=39v連續(xù)可調(diào)。io

12、m=1.5a，iomin5malw317的uref固定在1.2v，iadj=50a，忽略不計。uo=1.25（1+r1/r2）v?？烧{(diào)式三端穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓。常見產(chǎn)品有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負電壓，可調(diào)范圍為1.237v，最大輸出電流i0max為1.5a。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠、應(yīng)用方便、性能優(yōu)良等特點。cw317與cw337系列的引腳功能相同。2.單元電路的設(shè)計、元器件的選擇及其參數(shù)值選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm317，其特性參數(shù)v0=+1.2

13、v+37v，i0max=1.5a，最小輸入輸出壓降（vi-v0）min=3v，最大輸入輸出壓降（vi-v0）max=40v，均滿足性能要求其接法如下：1，2腳之間為1.25v電壓基準。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，r1應(yīng)小于240歐姆。改變rp阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。c11用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激高頻震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，輸出電容c10是電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸入端由輸入電源引入的低頻干擾，d3用于保護lm317。組成的穩(wěn)壓電源電路如下圖所示。取r1=240，由式v0=1.25*（1+rp1/r1）可得rp1min=336，rp1max=1.49k，故取rp1為2k的精密線

14、繞可調(diào)電位器。圖212 仿真結(jié)果及分析如圖2-2，選擇參數(shù)后，進行電路圖設(shè)計制作，當滑動變阻器為25%，輸出電壓如下：圖2-2可調(diào)電壓輸出為9.117v，雙12輸出和+5輸出正常當滑動變阻器為85%，輸出電壓如下：圖2-3可調(diào)輸出為2.834v，雙12v輸出與+5v輸出正常3 數(shù)據(jù)分析及性能評價穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1.輸出電壓u0和最大輸出電流iomix的測量。穩(wěn)壓電源正常工作

15、時能輸出的最大工作電流，用iomax表示，一般情況下的工作電流ioiomax時損壞穩(wěn)壓器。2.輸出電壓同時測量vo與iomax。測試過程是：輸出端接負載rl，輸入端接220v的交流電壓數(shù)字電壓表的測量值為vo；使rl逐漸減小，直到vo的值下降5%，此時流經(jīng)負載rl的電流即為iomax。3.紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。4.穩(wěn)壓系數(shù)s的測量穩(wěn)壓系數(shù)：在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化，即：sv=(v-vo)/(vi/vi)電壓調(diào)整率：輸入電壓

16、相對變化為10%時的輸出電壓相對變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。5.輸出電阻及電流調(diào)整率輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時所產(chǎn)生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調(diào)整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。4 課程設(shè)計的收獲和體驗通過這次的課程設(shè)計我收獲了很多，不僅讓自己學(xué)習(xí)到了很多有關(guān)專業(yè)方面的知識，而其鍛煉了自己的動手能力，進一步加強了理論知識的理解。初開始，感覺無從下手。把整個電路設(shè)計分為四個模塊（變壓

17、，整流，濾波，穩(wěn)壓）后，思路一下子清晰起來。各個模塊逐個解決，再參照實驗指導(dǎo)書的思路，實驗有了初步的方案，再根據(jù)調(diào)試結(jié)果，并聯(lián)了濾波電容，最后終于搞定了。這次課程設(shè)計我有以下四個收獲：首先，我對課本上的知識與理論有了進一步了解。雖然本次設(shè)計中所使用的電路原理較為簡易，但是設(shè)計參數(shù)要求以及保護電路等細節(jié)方面是我們在學(xué)習(xí)模電課程的時候幾乎沒有接觸過的。為此，我們查閱了不少書籍與文獻，在了解不同的要求下所需的不同電路元器件組合的過程中，也更好的理解了集成穩(wěn)壓電源電路的知識。其次，我在這一過程中逐步掌握與運用模擬電路所要求的工程思想。另外，所設(shè)計電路的實際可行性，經(jīng)濟效益等也是在這次課程設(shè)計過程中必須要考慮到的問題。再次，我了解到了“理論的目的最終歸于實踐”這一哲理。學(xué)習(xí)的知識不能僅僅停留在課本上，鑒于所學(xué)專業(yè)發(fā)展的速度以及知識更新的快速，多動手自己實踐書本上的知識，對將來的發(fā)展有較大的幫助。最后，我學(xué)會了如何獨立思考問題以及更好的團隊合作。課程設(shè)計對我們的要求是既需要獨立思考理解理論知識又要合理凝合團隊分工合作。在本次課設(shè)中，我們小組每個人各司其職，互相配合，非常好的完成了任務(wù)。5 元器件清單6 參考文獻資料1.電子