直流穩(wěn)定電源電路設(shè)計

1、直流穩(wěn)壓電源設(shè)計摘要21世紀的我們正在處于蓬勃發(fā)展的信息時代，在此，越來越多的電氣、電子設(shè)備涌現(xiàn)在市場的各個角落，于是必不可少的能源供應(yīng)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(jīng)成為新技術(shù)、新設(shè)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。本實驗設(shè)計有三個電路模塊構(gòu)成：穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源、DC-DC變換器。一律采用仿真技術(shù)設(shè)計調(diào)試。依上述順序，每個模塊的輸入即為前一模塊的輸出，而穩(wěn)壓電源的輸入為市電220v50Hz。其中穩(wěn)定電源的設(shè)計要滿足在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下輸出電壓可調(diào)范圍為+9V+12V，最大輸出

2、電流為1.5A，電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載），負載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載），紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，滿載），效率40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載），具有過流及短路保護功能。電流設(shè)計要滿足在輸入電壓固定為12V的條件下，輸出電流：420mA可調(diào)，負載調(diào)整率1%（輸入電壓12V、負載電阻由200300變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）。DC-DC變換器設(shè)計要求要滿足在輸入電壓為+9V+12V條件下，輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA，電壓調(diào)整率1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V），負載調(diào)整率1%

3、（輸入電壓+12V下，空載到滿載），紋波電壓（峰-峰值）100mV （輸入電壓+9V下，滿載）。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源 電路設(shè)計 仿真 調(diào)試 數(shù)據(jù)整理目 錄1、原理電路的設(shè)計21.1直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計2 1.2 直流穩(wěn)流電源電路設(shè)計5 1.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計8 1.4電路圖與主要工作原理10 1.5主要參數(shù)的選擇與計算102、仿真、調(diào)試過程11 2.1電路實物的安裝與調(diào)試11 2.2DC-DC轉(zhuǎn)換器的仿真與參數(shù)分12 2.3針對問題的調(diào)試 13 3、數(shù)據(jù)整理及最終分析及遇到的問題 144、元器件清單165、主要參考文獻171、原理電路的設(shè)計1.1 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計在本設(shè)計中電路都是采用

4、模塊設(shè)計思想.因此,對電路進行分析、論證都以模塊來進行的。1.1.1可行的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計方案經(jīng)過對課本的學(xué)習(xí)，以及從各種書本與網(wǎng)絡(luò)上獲取的信息，我從中歸結(jié)了以下幾種設(shè)計思路：1.1.1.1 采用單級開關(guān)電源,由220V交流整流后,經(jīng)開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出.但此方案所產(chǎn)生的直流電壓紋波大,在以后的幾級電路中很難加以抑制,很有可能造成設(shè)計的失敗和超出技術(shù)指標參數(shù)。1.1.1.2 串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路（參考教材）。從濾波電路輸出后,直接進入線性穩(wěn)壓電路如下1.1所示。線性穩(wěn)壓區(qū)域為一個串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路，又可分為基準電壓、比較放大器、調(diào)整管、取樣電路四部分。線性穩(wěn)壓電路輸出值可調(diào),為9-12V直流

5、穩(wěn)壓輸出.這中方案的優(yōu)點是:電路簡單,容易調(diào)試。 圖1.11.1.1.3在第二個方案的基礎(chǔ)上加上DC-DC變換器(即在線性穩(wěn)壓電路前端加入),采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),并采用恒壓差控制技術(shù),如圖1.2所示。 圖1.2在這種情況下,由DC-DC變換器來完成從不穩(wěn)定的直流電壓到穩(wěn)定的直流電壓的轉(zhuǎn)變,由于采用脈寬調(diào)制技術(shù)和恒差控制技術(shù),使得線性穩(wěn)壓電路兩端呀差減小,電路消耗大幅度下降,解決了方案二中的效率低的問題.其次,由于使用脈寬調(diào)制技術(shù),很容易過流、過熱、自動保護恢復(fù).此外,還可在DC_DC變換器中加入軟啟動電路,以抑制開關(guān)是的“過沖”。1.1.1.4 LM317集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的可調(diào)式穩(wěn)壓電

6、源用LM317三端集成穩(wěn)壓芯片設(shè)計直流穩(wěn)壓源，主要因為它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317 內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。通常 LM117/LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317 輸入端的連線超過 6 英寸（約 15 厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。LM317三端集成穩(wěn)壓芯片設(shè)計直流穩(wěn)壓源電路圖1.3：圖1.31.1.2最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計方案由于方案1所產(chǎn)生的直流電壓紋波大,在以后的幾級

7、電路中很難加以抑制,很有可能造成設(shè)計的失敗和超出技術(shù)指標參數(shù)，不宜采用。方案3與方案4簡單且可行性比較高，但本實驗的設(shè)計是從穩(wěn)壓源穩(wěn)流源DC-DC變換器的模塊分布設(shè)計的，故方案三不采納。方案4個人認為實際上是將方案2的部分設(shè)計思路與原件通過LM317集成穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)的，本著學(xué)習(xí)其內(nèi)部原理的目的，此次實驗設(shè)計采用方案2。1.2 直流穩(wěn)流電源電路設(shè)計1.2.1可行的直流穩(wěn)流電源電路設(shè)計方案1.2.1.1下圖1.4由雙運放構(gòu)成的恒流電路 圖1.4Out1是深反饋同相放大器;out2接成電壓和跟隨器組態(tài),它把輸出電壓反饋回輸入端.依放大器特性:Up=Ur*R22/(R22+R23)+Uo*R23/(

8、R23+R22) Un=Uo*R24/(R24+R25) Up=Un在設(shè)計中,取R22=R23=R24=R25 .由以上三式可得 Uo-Uo=Ur ,即電路R26 上的壓降(Uo-Uo)等于控制電壓 Ur.忽略集成運放的輸入偏置電流,則輸出電流為: Io=Ur/R26這種方案利用運放構(gòu)成一深反饋電路,有效地抑制了外界干擾,使得恒流電源工作穩(wěn)定性增強,理論上可以達到0.001-0.0001之間的穩(wěn)定度,完全滿足設(shè)計要求。 1.2.1.2高精度恒壓恒流直流穩(wěn)壓電源電路該電路可以實現(xiàn)穩(wěn)流輸出，但毫無疑問的是過于復(fù)雜，精度極高，超出題目要求及制作條件，故不予考慮。1.2.1.3開關(guān)電源式高壓恒流源電路

9、圖研制儀器需要一個能在0到3兆歐姆電阻上產(chǎn)生1MA電流的恒流源,用UC3845結(jié)合12V蓄電池設(shè)計了一個,變壓器采用彩色電視機高壓包,其中L1用漆包線在原高壓包磁心上繞24匝,L3借助原來高壓包的一個線圈,L2借助高壓包的高壓部分.L3和LM393構(gòu)成限壓電路,限制輸出電壓過高,調(diào)節(jié)R10可以調(diào)節(jié)開路輸出電壓。1.2.1.4采用的LM317集成三端穩(wěn)壓器，用12V供電，依靠317的2、3兩端帶隙電壓恒定的特點，用R3與RS2的阻值控制輸出電流的大小，達到輸出穩(wěn)定可調(diào)電流的目的。電路如圖1.5：圖1.5 LM317組成穩(wěn)流電源電路1.2.1.5 TL431恒流源電路 原理圖如下所示。該恒流源如與

10、穩(wěn)壓線路配接，可做電流限制器用。 恒流值與Vref和 外加電阻，即下圖中的R6于Rz之和有關(guān)，因此調(diào)整Rz的阻值，可以改變流經(jīng)負載Rl的電流，從而成為可調(diào)穩(wěn)流源。圖1.61.2.2最終決定的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計方案高精度恒壓恒流直流穩(wěn)壓電源電路可以實現(xiàn)穩(wěn)流輸出，但毫無疑問的是過于復(fù)雜；雙運放構(gòu)成的恒流電路的方案利用運放構(gòu)成一深反饋電路,有效地抑制了外界干擾,使得恒流電源工作穩(wěn)定性增強，可以很好的滿足設(shè)計要求；用 LM317制作恒流源電路的方案同樣簡單易行，在性能上也能達到設(shè)計要求指標。但是經(jīng)過綜合考慮可行性、簡便性、設(shè)計目的性與制作時間等各個方面，我最終選擇最后一個恒流源方

11、案，即TL431恒流源電路。1.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計1.3.1可行的DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案1.3.1.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路.使用此電路的目的在于最大限度地降低模塊低功耗，同時為下一級提供一個穩(wěn)定直流電壓。它的電路如圖1.7所示。圖1.7 DC-DC電路圖DC-DC電路為由核心芯片TL494作控制的單端PWM降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路.圖中R3與C3決定開關(guān)電源的開關(guān)頻率.電阻R11作為限流保護電阻用。其片內(nèi)誤差放大器(EA1)的同相輸入端(腳2)通過5.1K歐姆電阻( R4 )接入反饋信號，從后級線性穩(wěn)壓電路得到分壓.開關(guān)管采用PNP型大功率晶體管。1MHz 電流型 PWM DC/DC變換

12、器的原理框圖。電流型控制電路以 UC3843 為核心，開關(guān)頻率為1MHz；變換器采用推挽式3主電路 ；同步整流采用功率 MOSFET 可控整流電路；輔助電流由電阻和12V穩(wěn)壓管組成(也可采用自舉電路)，為 UC3843 提供+12V 電源；電流采樣是取變壓器初級串聯(lián)電阻上的電壓(見圖中電阻R)。1.3.1.2集成運算放大器的升壓電路不過此電路只能由5V升至30V，達不到設(shè)計要求。1.3.1.3 DC-AC-DC轉(zhuǎn)換升壓電路這一電路依靠Q1、Q2、Q3組成的自激震蕩電路，將直流電源輸入的電能轉(zhuǎn)化為交流電壓，經(jīng)變壓器升壓后再恢復(fù)為直流。此種電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，且升壓范圍比較大，能夠達到設(shè)計要求

13、。缺點在于輸出的電壓不穩(wěn)定，有較大波動，而且交流紋波電壓比較大。原理圖如下：圖1.81.3.2最終決定的DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案 經(jīng)過綜合各方面因素，我最終選擇了第3個方案，即DC-AC-DC轉(zhuǎn)換升壓電路。1.4電路圖與主要工作原理 由于時間問題，以上三個模塊全部用仿真軟件進行仿真與調(diào)試。1.4.1 穩(wěn)壓模塊工作原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路利用雙極性三極管的CE極間電阻受基極電流控制的特性，構(gòu)成以雙極性三極管穩(wěn)壓電路為核心的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，通過引入了典電壓串聯(lián)負反饋，進一步提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。而之前的濾波整流電路從50Hz、220V的交流電壓中得到直流電壓。1.4.2穩(wěn)流模塊工作原理 恒

14、流值與Vref和 外加電阻，即原理圖5中的R6于Rz之和有關(guān)，因此調(diào)整Rz的阻值，可以改變流經(jīng)負載Rl的電流，從而成為可調(diào)穩(wěn)流源。1.4.3DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊工作原理依靠第一級的穩(wěn)定電壓輸出供電，依靠原理圖中的Q1、Q2、Q3和R7、R8、C5構(gòu)成的自激振蕩電路，由上一級的直流供電產(chǎn)生一個交流電信號，在經(jīng)過變壓器升壓，再度轉(zhuǎn)換為直流信號輸出，同時達到升壓的目的。在恒定頻率的PWM通斷中,控制開關(guān)通斷狀態(tài)的控制信號是通過一個控制電壓 Ucon與鋸齒波相比較而產(chǎn)生的.控制電壓則是通過偏差(即實際輸出電壓與其整定值之間的差值)獲得的. 鋸齒波的峰值固定不變，其重復(fù)頻率就是開關(guān)的通斷頻率。

15、 在PWM控制中,這一頻率保持不變,頻率范圍從幾千赫到幾十萬赫.當放大的偏差信號電平高于鋸齒波的電平時,比較器輸出高電平，這一高電平的控制信號導(dǎo)致開關(guān)導(dǎo)通,否則,開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài).當后級反饋電壓高于TL494的基準電壓5V時，片內(nèi)誤差放大器EA1輸出電壓增加,將導(dǎo)致外接晶體管T和TL494內(nèi)部T1、T2管的導(dǎo)通時間變短，使輸出電壓下降到與基準電壓基本相等，從而維持輸出電壓穩(wěn)定，否則結(jié)果相反。1.5主要參數(shù)的選擇與計算串聯(lián)型負反饋式穩(wěn)壓電路的計算公式如下：輸出電壓與調(diào)整管Vce的關(guān)系：Vo=Vi-Vce=9V12V輸出電壓與分壓電阻和穩(wěn)流管的關(guān)系：(R1+R2+R3)/R2+R3*Vz<V

16、o<(R1+R2+R3)/R3*Vz通過計算，最終選擇R1=4k歐，R2=2k歐,R3=6k歐同時穩(wěn)壓管選擇1N5233B，其額定電流為76mA，穩(wěn)定電壓為6V調(diào)整管的功耗較大，故選擇大功率管BCW72運用較大的4700uf的電容和較小的0.01uf的電容同時濾除高頻與低頻的紋波。輸出端用一8歐的電阻與負載串聯(lián)，從而起到控制最大電流為1.5A的作用2、仿真、調(diào)試過程由于時間有限，所設(shè)計的三個模塊應(yīng)用MULTISIM進行仿真。2.1直流穩(wěn)壓電源的仿真電路圖及結(jié)果：仿真電路如2.1所示： 圖2.1仿真結(jié)果：最大輸出電壓為12.04V最小輸出電壓為9.03V最大輸出電流：Imax=1.502A

17、 2.2穩(wěn)流電源的仿真電路圖及結(jié)果：仿真電路如圖2.2所示：圖2.2可調(diào)范圍滿足要求。 可調(diào)最大電流Imax=24.866mA 可調(diào)最小電流Imin=2.268mA2.3DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器的仿真電路圖及結(jié)果：仿真電路圖如下所示圖2.3電壓擴大范圍滿足要求 輸出電壓為Vo=100.076V：3、實驗過程中遇到的問題：仿真過程中遇到的兩個問題：3.1 在進行仿真的過程中，對我同時仿真了雙運放構(gòu)成的恒流電路，下圖為仿真圖3.1：圖3.1 但是通過仿真結(jié)果的測試沒有得到預(yù)計的參數(shù)，由于時間有限，對此電路圖還不是了解十分清晰，因此未能找到原因。 3.2設(shè)計電路在進行DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路的仿真中我先進

18、行了按照原理圖中的電路連線仿真，電路圖如下3.2：圖3.2但是結(jié)果仍沒有達到預(yù)期效果，原因仍有待我去研究。之后通過查找多方面的資料，轉(zhuǎn)化了電路圖，最終才得到了符合要求的結(jié)果4、元器件清單穩(wěn)壓源部分主要原器件參數(shù)個數(shù)變壓器16V1個整流橋2A/100V1個穩(wěn)壓管1N5233B1個電解電容4700uF1個電容0.01uF1個功率放大器LM324M1個調(diào)整管BCW721支電阻1k1支4k1支6k1支8k1支可變電阻2k1支萬用表XMM11塊恒流源部分主要原器件參數(shù)個數(shù)穩(wěn)壓管TL431A1個三極管2N22221個電阻2K1支200K1支100K1支可變電阻1K1支萬用表XMM11塊電容22uF1支0.1uF1支DC-DC變換器變壓器TS_PQ4_101個三極管2N2222A2個TIP31C1個二極管1N40071個電阻3.91支1K1支4