直流穩(wěn)壓電源的設計與制作

1、職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）基于集成電路的直流穩(wěn)壓電源設計與制作姓 名： 成成 學 號： 093138 指導教師： 棚 專業(yè)名稱： 應用電子技術 所在系部： 信息工程系 二一二年六月畢業(yè)論文（設計）開題報告學生成成班級應用電子0901指導教師棚學號093138畢業(yè)論文（設計）題目基于集成電路的直流穩(wěn)壓電源設計與制作自六年代起，第一臺開關電源問世以來，開關電源在世界各國迅速發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源也順十勢而生，但在初期價格較高，直到八十年代，隨著元件工藝的成熟，直流穩(wěn)壓電源的價格也日益下降，應用也變的日益廣泛。以美國為首的幾個發(fā)達國家在這方面的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向高頻下電源的拓撲理論、工作原理、建模分析方法和

2、高頻大功率開關器件，高性能集成控制器和功率模塊的開發(fā)研制方面發(fā)展。電子設備與人們的工作、生活的關系益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。我國在此方面的起步較晚，1973年才開始這方面的研究工作，現(xiàn)在主要在小功率單端變換器方面發(fā)展較為迅速。到21世紀小型電子設備的發(fā)展更加迅速和更加普與，但是現(xiàn)在很多的小型電子設備都是依靠電池來供電的，所以開發(fā)一種新型的開關電源應用于小型電子設備中就顯得非常重要了！通過本論文課題的研究，預計達到: 電源基本功能正常實現(xiàn),能夠供電。具體安排進度：2012年3月1日3月30日，論文資料的查詢、收集和整理；2012年4月1日4月30日，論文

3、方案確定、直流穩(wěn)壓電源的設計、 原理圖和仿真圖的制作；2012年5月1日5月31日，論文撰寫、整理和排版。請指導老師指導論文，上交畢業(yè)論文和準備論文答辯。指導教師評語該同學在通過參考大量的資料，對該項目提出了可行性論證，文章的立意新穎，具有一定的現(xiàn)實意義和前瞻性。本人認為該同學能夠按時按質(zhì)的完成該項目的研究。同意開題！指導教師簽名： 棚 2012年3月25日畢業(yè)論文（設計）成績評定指導教師意見成成同學的論文研究了基于集成電路的直流穩(wěn)壓電源設計與制作，本文選題的角度較為新穎，文章脈絡清晰，文筆流暢，基本觀點明確。文章目前仍存在的主要問題：學生沒有完全深入和消化所查找的資料，論據(jù)不夠充分有力。指導

4、教師簽名： 棚 2012年6月15日答辯專家組意見系專業(yè)教學委員會意見摘 要直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路與穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設計主要采用直流穩(wěn)壓構成集成穩(wěn)壓電路，通過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V交流電，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)電壓可在6-13V可調(diào)。關鍵字：直流、穩(wěn)壓、變壓AbstractThe direct current is steady to press the power supply general from power trans

5、former, commutate the an electric circuit and steady ,press the electric circuit constitute.Transformer the low-pressure alternate current that electric voltage need when changing into in exchanges in electricity in municipal mutating the machine change into the direct current to the alternate curre

6、nt.Through the an empress, it is steady to press the machine change into the stable direct current electric voltage exportation to the unsteady direct current electric voltage again. The main adoption in this design is steady to press the slice constitutes to gather steady to press the electric circ

7、uit, passing to change to press, commutating, the wave steady ran over the distance an alternate current, change into the stable direct current, and realizes the electric voltage can be adjustable in the 6-13 Vs. Key Words: LM317、 steady press、 change to press24 / 24目 錄引言.6第一章 總體方案的設計.7 1.1.方案一.7 1.

8、1.方案二.8 1.3.方案的選擇.9第二章 單元模塊的設計.9 2.1.主要電源部分的設計.9 2.2.輔助電源部分的設計.10 2.3.保護電路部分的設計.12 2.4.繼電器驅(qū)動部分的設計.13 2.5.輸出電壓比較部分的設計.14 2.6.編碼和譯碼部分的設計.15第三章 電路參數(shù)的計算.15 3.1.輔助電源參數(shù)計算.15 3.2.主要電源參數(shù)計算.16 3.3.元器件的選擇.16第四章 系統(tǒng)的連接與其功能.16 4.1.特殊器件的介紹.164.1.1.LM317器件介紹.164.1.2.ULN2803器件介紹.174.1.3.CD4208編碼器.184.1.4.74LS48優(yōu)先編碼

9、器.19 4.2.各單元模塊的連接.21 4.3.系統(tǒng)功能.224.4.元器件清單與其系統(tǒng)原理圖.23 4.6.實物展示.24第五章 結束語.24第六章 致.25參考文獻.25引言隨著全球信息化的飛速發(fā)展，可以說，有電器的地方就有電源。所有的電子設備都離不開可靠的電源為其供電。現(xiàn)代電子設備中的電路使用了大量的半導體器件，這些半導體需要幾伏到幾十伏的直流供電，以便得到正常工作所必需的能源。這些直流電源有的屬于化學電源，如采用干電池和蓄電池，但這些不能持久性的供電。大多數(shù)電子設備的直流供電方法都是將交流電源經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等變換為所需的直流電壓。完成這種變換任務的電源成為直流穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)

10、代電子設備中使用的直流穩(wěn)壓電源有兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源。它的穩(wěn)壓性能好，輸出紋波很小，缺點是需要使用體積和重量都比較大的工頻變壓器，而且穩(wěn)定效率較低。開關型穩(wěn)壓電源效率高，體積小，重量輕，缺點是輸出的紋波與產(chǎn)生的電磁干擾比較大。開關電源和線性電源的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。通常，當輸出功率較小時，線性電源的成本較低。但是，當線性電源成本在某一輸出功率點上時，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。第一章 總體方案的設計直流穩(wěn)壓電源的設計方案有許多種，不過我只著重研究了自己比較感興趣的兩種，分別如下：1.1 方案一：該方

11、案是通過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路、濾波電路進而將交流電變?yōu)橹绷麟?，在通過穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓得到較穩(wěn)定的電壓，由于穩(wěn)壓器當輸入電壓固定時只能在它的電壓差圍調(diào)節(jié)輸出電壓，、所以要在調(diào)出電壓差的圍時自動調(diào)檔，這是通過兩個比較器將輸出電壓和基準電壓進行比較，再通過計數(shù)器的計數(shù)功能控制繼電器控制器的輸入情況來判斷輸出電壓的大小在哪個圍，然后進行自動調(diào)檔。最后將穩(wěn)壓器的輸出電壓流經(jīng)保護電路，最后輸出。如圖1.1。變壓器整流濾波穩(wěn)壓保護電路兩個比較器交流電220V/50HZ計數(shù)器繼電器控制器圖1.1 方案一的流程圖1.2 方案二：該方案也是通過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路、濾波電路進而將交流電變?yōu)橹绷麟?，在通過穩(wěn)

12、壓器的穩(wěn)壓的電壓，主要是自動換檔這一單元有所改變，該方案的這一單元的原理是：將穩(wěn)壓器輸?shù)玫捷^穩(wěn)定出的電壓通過六個比較器和基準電壓進行比較，將得出的結果通過編碼器、譯碼器得出有效的二進制碼，接著通過繼電器控制器控制繼電器自動調(diào)節(jié)檔位。最后將穩(wěn)壓器的輸出電壓流經(jīng)保護電路輸出，如圖1.2。交流電220V/50HZ變壓器整流濾波繼電器控制器穩(wěn)壓保護電路六個比較器編碼器譯碼器圖1.2 方案二的流程1.3 方案的選擇：方案一的優(yōu)點在于所用的器件較少,但由于用計數(shù)器給繼電器控制器有一個缺就往下調(diào),要是不置數(shù)的話,往下就不能計數(shù),但如果置數(shù)的話,在方案上有點困難;點:當電源一開始方案二雖然元器件多點但它能完整

13、的完成自動調(diào)檔功能,并且思路簡單明了,容易讓人理解并不會出什么錯誤,元器件又好解決.所以我選用第二種方案。第二章 單元模塊的設計本方案的單元模塊有6個，分別如下：主要電源部分的設計、輔助電源部分的設計、保護電路部分的設計、繼電器驅(qū)動部分的設計、輸出電壓比較部分的設計、編碼和譯碼部分的設計。2.1 主要電源部分的設計該部分通過三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器實行對電壓的調(diào)節(jié)，當調(diào)節(jié)電位器R2時，電壓就會隨著電阻的阻值變化而變化。圖2.1 主要電源的電路圖2.2 輔助電源部分的設計該部分的功能是提供主要電源部分所使用的芯片的驅(qū)動電壓和用來作為基準電壓。圖2.2 輔助電源+5V該電源提供穩(wěn)定的直流電源+5V，它的

14、主要功能是提供給比較器、譯碼器和編碼器的驅(qū)動電壓+5V。如圖2.2。圖2.3 輔助電源+12V該電源提供穩(wěn)定的直流電源+12V，它的主要功能是提供給2803驅(qū)動電壓+12V和提供比較器的基準電壓。如圖2.3。該電源主要通過整流、濾波和穩(wěn)壓三部分構成，起部分功能如下：橋式整流電路：在U2的正半周，a點的電位高于b點的電位，D1、D3導通，D2、D4截止，電流自a端經(jīng)D1，RL和D3回到電源的b端；在U2的負半周，b點的電位高于a點的電位，D2、D3導通，D1、D3截止，電流自b端經(jīng)D2、RL和D4回到電源的a端。與半波整流電路相比，在U2、RL一樣條件下，輸出的只電流、電壓都提高一倍；電流脈動程

15、度減?。蛔儔浩髟谡?、負半周都有對稱的電流流過，既得到充分利用，又不存在單磁化的問題，但需要4個整流二極管，線路稍復雜。與全波整流相比，雖然多用了2個整流二極管，但反向耐壓低了一倍，變壓器次級少了一圈，綜合成本低于全波整流電路。電容濾波電路電容濾波電路的特點：（1）電流的有效值和平均值的關系與波形有關，在平均值一樣的情況下，波形越尖，有效值越大。在純電阻負載時，變壓器副邊的有效值I2=1.11IL，而有電容濾波時I2=（1.52）IL。（2）負載平均電壓VL升高，紋波（交流成分）減小，且RLC越大，電容放電速率越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取RL

16、*C（3-5）T/2（式中T為電源交流電壓的周期）。（3）負載直流電壓隨負載電流增加而減小。VL隨IL的變化關系稱為輸出特性或外特性，如圖所示。電容濾波電路簡單，負載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。2.3 保護電路部分的設計圖2.4 保護電路圖如圖2.4，該保護電路采用場效應管的功能，其工作原理如下：當電源輸出短路時，場效應管VT2的柵源極變成等電位而導通，其漏源極就會分去調(diào)整管VT1的基極電流達到減小調(diào)整管導通過電流的作用，R2為場效應管柵極的保護電阻。選用場效應管時應使其導通電壓降（漏源極間的電壓）小于調(diào)整管發(fā)射結導通電壓降。2

17、.4 繼電器驅(qū)動部分的設計圖2.5 繼電器驅(qū)動圖該部分的設計主要利用繼電器的特殊功能：當繼電器兩端有電壓時，繼電器則導通，反之繼電器就斷開。繼電器用2803芯片驅(qū)動，如圖2.5所示，可知A，B兩端接到整流部分，2803輸入端接譯碼部分。當譯碼信號傳給2803時，它即將判斷那端輸出高電平，接到這端的繼電器導通，即與變壓器的一檔位接通，起到換擋作用。2.5 輸出電壓比較部分的設計圖2.6 電壓比較該部分的原理主要是利用對輸出電壓與基準電壓進行比較從而判斷輸出電壓在哪個圍，由此得出比較信號，將它傳給編碼器編碼。如圖2.6可知，六個比較器的輸出端接編碼器，輸入端接的基準電壓。此基準電壓是通過+12V的

18、輔助電源供給的。比較器的原理是：當輸入電壓比基準電壓高時輸出高電平，而當輸入電壓比基準電壓低時則輸出低電平。2.6 編碼譯碼部分的設計圖2.7 編碼譯碼如圖2.7所示，編碼器的輸入端接比較器的輸出端，在此編碼器通過對輸入信號的編碼并傳給譯碼器，通過譯碼器的譯碼將輸出信號傳給2803控制繼電器。第三章 電路參數(shù)的計算3.1 輔助電源參數(shù)計算1.因為Vi-Vo=2.5V，所以+5V穩(wěn)壓電源Vi應大于2.5V+5V=7.5V，+12穩(wěn)壓電源Vi應大于2.5V+12V=14.5V。2.因為Vi=(1.11.2)Vj,所以Vj=Vi/(1.11.2).那么+5V穩(wěn)壓電源Vj6.25V, +12穩(wěn)壓電源V

19、j12.08V。3.考慮到電解電容并不是非常大，穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)定，+5V穩(wěn)壓電源交流電壓應大于6.6V，+12穩(wěn)壓電源交流電壓應大于12.6V。4.因為二極管有正向壓降，+5V穩(wěn)壓電源交流電壓應大于6.6+0.7×2=8V，+12穩(wěn)壓電源交流電壓應大于12.6+0.7×2=14V。5.考慮到交流電源電壓的波動，在市網(wǎng)電壓為200V時也能正常工作，則有200/220+Vj，所以+5V穩(wěn)壓電源交流電壓應大于8.8V，+12穩(wěn)壓電源交流電壓應大于14.8V。6.交流變壓器副邊應選取的電壓為：+5V穩(wěn)壓電源交流電壓為9V，+12V穩(wěn)壓電源交流電壓為15V。3.2 主要電源參數(shù)計算1.

20、Vi-Vo2.53V且Vi-Vo40V。2.Vo=Vre(1+R2/R1)+Iadj×R2,其中Vre=1.25,Iadi=100uA非常小可以忽略，所以Vo=1.25(1+R2/R1)。3.R2的取植圍為120240歐姆之間。4.1.25VVo37V,電流小于1.5A，保護電流為2.2A，最大耗散功率為20W。3.3 元器件的選擇1.假設負載電流為500mA，電源電壓的頻率為50HZ，則T=0.02S，電容C（35）T/2/RL,耐壓植應大于1.42×Vj,即1.42×Vj×250/220。（250/220為市網(wǎng)電源電壓過高時的情況）當輸出電壓為5V時

21、C30005000uF，耐壓植應大于14.5V。當輸出電壓為12V時C12502083uF,耐壓植應大于24.1V。2.二極管應承受的最大反向電壓均為V2的最大植，即Vrm=1.414V當輸出電壓為5V時，二極管承受的電壓為1.414×9=12.726V當輸出電壓為12V時，二極管承受的電壓為1.414×15=21.21V。第四章 系統(tǒng)的連接與其功能4.1 特殊器件介紹：4.1.1 LM317器件介紹圖4.1 LM317的仿真圖它的部電路有比較器、偏置電路（圖中未畫出）、恒流源和帶隙基準電壓Vref等，它的公共端改接到輸出端，器件本身無接地端。所以消耗的電流都從輸出端流出，

22、部的基準電壓（約1.2V）接至比較放大器的同向端和調(diào)整端之間。若接上外部的調(diào)整電阻R1、R2后，輸出電壓為V0=Vref+(Vref/R1+Iadj)R2=Vref(1+R2/R1)+IadjR2LM317的Vref=1.2V,Iadj=50uA,由于調(diào)整端電流Iadj<<I1,，故可以忽略，上式又可簡化為 VO=Vref(1+R2/R1)。4.1.2 ULN2803器件介紹圖4.2 ULN280的實物圖I1I2I3I4I5I6I7I8O1O2O3O4O5O6O7O81000000001111111010000001011111100100000110111110001000011

23、1011110000100011110111000001001111101100000010111111010000000111111110圖4.3 引腳相應輸出高低電平表當輸入段IN1為高電平，其余為低電平時，輸出端OUT1為低電平，其余威高電平，以此類推，輸入端為高電平時，對應的輸出端為低電平，以此就可以控制變壓器的檔位。4.1.3 CD4208編碼器 圖4.4 CD4208圖4.5 CD4208引腳相應輸出高低電平表4.1.4 74LS48優(yōu)先編碼器圖4.6 74LS48該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，電路還設置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標志G

24、S。當EI=0是編碼器工作；而當EI=1時，則不論8個輸入端為何狀態(tài)，2個輸出端均為高電平，且優(yōu)先標志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出高電平有效的情況。當EI為0，且至少有一個輸入端有編碼要求時，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標志GS為0，表明編碼處于工作狀態(tài)，否則為1。由功能表可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只要輸入0端有低電平輸入時，A2A1A0均為111，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼一樣的情況，這可由GS狀態(tài)加以區(qū)別，當GS=1時，表示8個輸入端均無低電平輸入，此時A2A1A0=111為非編碼輸出；GS=0時，A2A1A0=111表示響應輸入0端

25、為低電平時的輸出代碼。 輸入 輸出EI01234567A2A1A0GSEOH××××××××HHHHHLHHHHHHHHHHHHLL×××××××LLLLLHL××××××LHLLHLHL×××××LHHLHLLHL××××LHHHLHHLHL×××LHHHHHLLLH

26、L××LHHHHHHLHLHL×LHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLH圖4.7 功能表4.2 各單元模塊連接主要電源部分提供可調(diào)穩(wěn)定電壓，通過自動控制部分控制主要電源部分的電壓檔位，再通過保護電路部分保護電路的可靠性，當電路過流時可以起到保護作用。其中輔助電源部分則是提供自動控制部分和保護電路部分所用到的芯片的驅(qū)動電壓。輔助電源部分主要電源部分繼電器驅(qū)動部分保護電路部分電壓比較部分編碼譯碼部分圖4.8 流程圖4.3 系統(tǒng)功能可以輸出穩(wěn)定的直流電壓；精度高且在調(diào)節(jié)圍連續(xù)可調(diào)；當輸出兩接線短路時由于保護功能而不燒壞電源；在調(diào)節(jié)過程中自動換4.4 元器件清

27、單與其系統(tǒng)原理圖元件變壓器電容電阻二極管穩(wěn)壓器編碼器規(guī) 格可調(diào)C4.C5 C1.C2.C3.R1,R2,R3,R4,RLV1,V2,V3, V4,D2,D3LED2LM317ULN2803CD4208 74LS48參數(shù)值N1/N2=18100nf ,1F10mF,470uf1.5K1501.29K1K3N250IN4002T(溫度):(0-125)0CA2A1A0A2A1A0=111數(shù)量155613圖4.9 清單表圖4.10 總原理圖4.5 實物展示圖4.11 實物圖第五章 結束語本設計的目的是利用市電通過一定的技術產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電，并利用它為電子器件提供必要的電壓、電流。該電源能提供一定的穩(wěn)定的電壓，并且在它的量程圍連續(xù)可調(diào)，同時具有保護作用，當電源輸出段短路是，電源自動斷開以至不會燒壞電壓。通過這次設計，我從中獲得