直流穩(wěn)定電源

1、武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計 專業(yè)綜合課程設計任務書學生姓名： 胡欣 專業(yè)班級： 通信0905 指導教師： 王晟 工作單位： 信息工程學院 題 目: 直流穩(wěn)定電源 初始條件：OP07CP 要求完成的主要任務:1. 電路的理論設計2. 電路的安裝、調試3. 設計報告的撰寫時間安排：序號階段內容時間1安排設計任務第17周2完成重點測試項目第18周3進行一般測試項目；答辯第19周指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任老師）簽名： 年 月 日22 目 錄摘要4Abstract51. 緒論 6 1.1.設計任務及要求62. 設計方案及硬件電路設計 82.1.直流穩(wěn)壓電源82.1.1.電路方案選

2、擇82.1.2.元件參數(shù)選擇102.2.直流穩(wěn)流電源112.2.1.電路方案選擇112.3.DCDC變換電路142.3.1.電路方案分析142.3.2.電路原理分析143 仿真及分析 163.1.直流穩(wěn)壓電源仿真分析163.2.直流穩(wěn)流電源仿真分析183.3.DCDC變換仿真分析194.實驗測試數(shù)據(jù)分析 205.實物制作 216.參考文獻22附錄： 23摘要：隨著科技的發(fā)展，電氣、電子設備已經(jīng)廣泛的應用于日常、科研、學習等各個方面。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(jīng)成為新技術、新設備開發(fā)的重要

3、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(lián)型線性穩(wěn)壓電路，串聯(lián)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，直流穩(wěn)流電源和DC-DC變換器。通過相關知識計算出各電路中各個器件的參數(shù)，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。關鍵詞：電源；串聯(lián)型線性穩(wěn)壓；串聯(lián)調整式穩(wěn)流；反饋式逆變電路 Abstract: Along with technical development, the electricity and electronic instruments have already been widespread applied in dail

4、y, scientific research, study and so on each aspect. Since the power supply takes the essential energy-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

5、 already become the important link to the development of the new technology and the new equipment. Its playing 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 fee

6、dback type contravariant circuit to design direct current constant voltage power supply, direct current 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 desi

7、gn requirements such as the voltage regulation rate, the current regulation rate, load regulation rate, ripple voltage and so on.Key Words: Power Supply; Series Linear Constant Voltage; Series Regulate Constant Current; Feedback Type Contravariant Circuit. 1.緒論1.1設計任務及要求1基本要求（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電

8、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200300變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）（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10

9、mAb電壓調整率1%（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）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(chǎn)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(shù)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：采用由運放構成的線性調壓電路。此電路原理是信號

10、經(jīng)整流濾波后直接進入線性穩(wěn)壓電路，由運放構成深度度負反饋電路，通過調節(jié)負反饋電阻的大小來調節(jié)輸出電壓。選擇合適的電阻和可變電阻，即可實現(xiàn)+9+12V輸出。電路原理圖如下圖所示：一個可調式的串聯(lián)反饋型的直流穩(wěn)壓電源如圖所示，它由變壓器，整流濾波電路，串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路構成。其中串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路的組成部分有調整管，比較放大器，基準電壓和取樣電路。由于引入了電壓串聯(lián)負反饋，該穩(wěn)壓電路可以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出；由于其電壓取樣比可調節(jié)（反饋系數(shù)可調節(jié)），還實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)，即一個可調壓的直流穩(wěn)壓電源。電路的穩(wěn)壓過程：當輸入電壓Vi增加，或負載電阻RL增大時，都使得Vo增加，于是Vf減小，Vo1

11、減小，管壓降Vce增加，使VO基本保持不變。當輸入電壓Vi減小，或負載電阻RL減小時，使得Vo減小，于是Vf減小，VO1增加，管壓降Vce減小，使Vo基本保持不變。限流式保護電路，當發(fā)生短路或過流時，調整管的電流超過額定值，限流式保護電路通過電路中的取樣電阻的反饋作用，起到使調整管基極電流分流的作用，從而達到限制輸出電流的目的。如圖所示。 方案二：采用開關電源電路，直接將220V電壓經(jīng)整流后送入單級開關電源電路，通過調節(jié)開關管的占空比來調節(jié)輸出電壓的大小。電路圖如下所示： 圖22 振鈴式開關電源電路包括整流濾波電路、開關變壓器、開關管、次級整流電路、取樣放大電路、控制電路等，其特征在于將普通開

12、關電源的開關變壓器的初級線圈分成兩個繞組和，每個繞組串接一只二極管，然后再把這兩部分串接起來，接點為，剩下的兩個端點，一端與電源相接，另一端通過開關管與地相接此外在接點與電源之間跨接一只電容，在接點與地之間再跨接另一只電容，其最佳值是使、的大小與對應繞組、的匝數(shù)、 成反比，即 。在VT2的基極支路上增加RA和RB。由于C3上的電壓是與輸入電壓成正比的正極性電壓，一旦輸人電壓Ui升高，電阻RA流過的電流就增加，加速VT2導通，起到限流的作用。因此，輸出電壓Uo和C2的電壓Uc2就會降低，故流過RB的負電流減少，VT2基極電壓升高，VT2深度飽和導通，于是起到減小輸出電流的作用方案三：使用三端穩(wěn)壓

13、器LM317作基準電壓源構成穩(wěn)壓電路。經(jīng)變壓器降壓后送入穩(wěn)壓電路。其穩(wěn)壓電路如圖所示： 圖23 三端穩(wěn)壓器式穩(wěn)壓電路其穩(wěn)壓性能良好。5、6之間有非常精準的電壓差。其輸出電壓為V=(R1+R3+R4)/R1*1.25V。比較三個方案，決定選用方案一。因為其穩(wěn)壓性能較好，適合小電流，調節(jié)范圍寬廣。2.1.2元件參數(shù)選擇該反饋放大器屬于電壓串聯(lián)負反饋，調整管的電路組態(tài)屬于射極跟隨器；如果運算放大器為理想的條件下，輸出電壓計算如下：Vo1=Av(VREF FVO)VOVO= VREF 由于理想運算放大器其開環(huán)增益無窮大，故反饋深度 >>1，有 Vo=VREF F= Vo=VREF=VZ 從

14、上式可以看出，在基準電壓VZ確定后，改變可調電位器R2滑動觸點的位置，就能改變輸出電壓Vo的大小。顯然，當R2的滑動頭移至下端時，=0,還可看出，Vo最大，即： Vomax=Vz同理，R2的滑動頭移至上端時，Vo最小，及： Vomin= Vz所以 Vz<Vo< Vz為了提高電源的穩(wěn)壓效果，首先是提高放大電路的增益；其次，應提高取樣系數(shù)n，減小信號電壓的損失；第三，基準電壓要穩(wěn)定，否則也會造成 Vo的不穩(wěn)定，而且基準電壓的不穩(wěn)定是不能由穩(wěn)壓電路的調整過程進行補償?shù)?。調整管的調整作用是依靠輸出電壓和給定電壓之間的偏差來實現(xiàn)的，必須有偏差才能調整。如果絕對不變，調整管的電路參數(shù)也絕對不變

15、，那么電路也就不能起著調整作用了，所以不可能達到絕對穩(wěn)定，只能基本穩(wěn)定。因此串聯(lián)負反饋型穩(wěn)壓電路是一個閉環(huán)有差的調整系統(tǒng)。穩(wěn)壓系數(shù)Sr為： Sr=可以看出，穩(wěn)壓系數(shù)Sr的大小主要決定于取樣比n和比較放大器的電壓增益Av，n和Av越大，Sr值越小，電源的穩(wěn)定程度越高。根據(jù)理論公式得：（1）穩(wěn)壓電路：R=1K歐 ； R1=510歐 ； Rw=1K歐 ；R3=1.5K歐 ；C=2200uF/50V ；（2）穩(wěn)流電路：R1=R2=R3=R4=10K歐 ；R5=R6=100歐 ；R7=5.1K歐 ；Rw=1K歐 。2.2 直流穩(wěn)流電源2.2.1電路方案選擇 方案一如圖是一個由雙運放構成的恒流電路。A1為

16、深反饋同相放大器；A2接成電壓跟隨器組態(tài)它把輸出電壓反饋回輸入端。依放大器特性： UpUrR4(R3十R4)十UoR4 (R3十R4) UnUoR1(R1+R2) Up Un 圖25 線性穩(wěn)流電路在設計中，取R1=R2=R3=R4。由以上三式可得Uo-Uo=Ur；即電路R5上的壓降等于控制電壓Ur。忽略集成運故的輸入偏置電流，則輸出電流為 IoUrR5 這種方案利用運放構成一深反饋電路，有效地抑制了外界十擾，使得恒流電源工作穩(wěn)定性增強理論上可以達到0.0010.0001之間的穩(wěn)定度完全滿足設計要求。方案二： 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(jīng)電阻后產(chǎn)生恒

17、穩(wěn)的電流。(1)不加三極管的方案，如下圖 這是一種被普遍采用的產(chǎn)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（adj）的恒流。 圖26 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(jīng)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。 圖27 使用三極管的穩(wěn)流電路 設計中由于不需要太低的電流，故可以選擇方案一。為輸出4-20mA的電流，可將RES3

18、選擇為一個固定電阻加一個可變電阻。經(jīng)計算并結合實際情況，固定電阻選擇為240歐，可變電阻選擇為1K。2.3 DCDC變換電路2.3.1電路方案分析 方案一：采用Boost型DC-DC升壓器。這種電路結構簡單，容易實現(xiàn)，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。 方案二：帶變壓器的開關電源。由于使用變壓器，可做到輸出電壓范圍寬，開關管占空比合適。本設計采用方案二。2.3.2 電路原理分析電路如下圖所示： 圖28 DCDC變換電路Q2作為開關管，Q1,Q3以及R1,R3,R4起穩(wěn)壓作用。Q1,Q3選擇2N2222，Q2選擇TIP31C，R1選擇為1K，R3選擇為3.9K，

19、R2選擇10K可變電阻，R4選為1.2M。調節(jié)R2的電阻可是輸出電壓大于100V。D1整流，用1N4007。C1濾波，選擇一個2200uF的電容。電感則自己買磁環(huán)和漆包線繞，在磁環(huán)上繞一個20T，一個30T和一個100T的電感構成耦合電感。 3 仿真及分析為了驗證設計電路的正確性，并測試電路的性能是否符合要求，本人現(xiàn)對電路作了全面，系統(tǒng)的仿真。我是用的仿真軟件是Multisim 10.0。3.1直流穩(wěn)壓電源仿真分析 直流穩(wěn)壓電源的要求首先是電壓調節(jié)范圍。我做的仿真結果如下圖： 圖31 穩(wěn)壓最小輸出 圖32 穩(wěn)壓最大輸出從仿真結果中可以看出：輸出電壓調節(jié)范圍為7.41112.351V，設計滿足要

20、求。然后分析紋波，結果如下圖： 圖33 紋波電壓仿真結果顯示紋波電壓僅為206.131nV。遠小于要求中的5mV，故設計通過。用示波器觀測紋波，可以看到很平穩(wěn)的波形，可知輸出電壓很穩(wěn)定，再次驗證了設計滿足要求。紋波波形如下圖： 圖34 紋波波形3.2 直流穩(wěn)流電源仿真分析 首先驗證電流的調節(jié)范圍，仿真結果如下圖： 圖35 穩(wěn)流輸出最小電流圖36 最大輸出電流分析結果顯示輸出電流調節(jié)范圍為1.93721.291mA。滿足設計要求。3.3 DCDC變換仿真分析 對DC-DC變換器做仿真分析，輸出電壓結果如圖： 圖37 升壓輸出4.實驗測試數(shù)據(jù)分析 1)穩(wěn)壓電源，在輸入電壓220V ；50Hz，電壓

21、變化范圍+15%-20%下： a. 輸出電壓可調范圍為：+7.4512.50Vb. 最大輸出電流為：1.48Ac. 電壓調整率為：0.187%d. 負載調整率為：0.86%e. 紋波電壓：148.452uF f. 效率：43.03% (2)穩(wěn)流電源，在輸入電壓為+12V的條件下：a.輸出電流：7.4525.50mA可調b.負載調整率為：1.3% 整體分析：由以上數(shù)據(jù)可知，本次設計基本成功，但在細節(jié)處與要求有一定的偏差，分析原因主要在于，一些元件的參數(shù)與計算值有一定的偏差，且溫度等外部因素也對結果產(chǎn)生一定影響。總結：通過這次課程設計，是對所學的模電知識的一次綜合應用，既考驗了我的知識掌握程度，也鍛煉了我的動手動腦能力。明白了理論和實際是有差距的。很多理論上成立的事情實際不一定做得到。雖然此次課程設計花費了一番功夫，但卻使我收獲很多。無論是對穩(wěn)定電源的認識，還是對仿真軟件的學習，都有了一定的提高。同時此次課程設計也讓我發(fā)現(xiàn)了許多學習中的問題，今后，將更加努力學習，彌補漏洞，進一步提高自己。5.實物制作：6.參考文獻 【1】.戴伏生 基礎電子電路設計與實踐 國防工業(yè)出版社 2002.4 【2】.王成華,王友仁，胡志忠 電子線路基礎教程 科學出版社 2000【3】.黃繼昌，喬蘇文，徐巧魚 電源專用集成電路及其應用 人民郵電出版社 2006.06【4】