具有短路保護功能的開關穩(wěn)壓電源的設計

1、一、 概述穩(wěn)壓電源，輸出電壓相對穩(wěn)定，它與人們的日常生活密切相關，也稱穩(wěn)壓器等，開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展依賴于半導體器件和磁性材料的發(fā)展。隨著電子工藝的發(fā)展，已成為世界各國的普及產(chǎn)品。按調(diào)整管及負載的連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型,按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制型（PWM）、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型。本電路設計主要引用串聯(lián)型脈沖寬度調(diào)節(jié)型，主要由主輸出電路、控制電路、采樣比較放大及保護電路四大部分組成。利用三極管的導通特性，通過波型發(fā)生器與電壓比較器共同實現(xiàn)對三極管導通與關斷的控制，從而實現(xiàn)開關功能，負反饋采樣放大電路實現(xiàn)調(diào)壓功能。電源輸入電壓為市網(wǎng)電壓。輸出電壓為524V可調(diào)電壓，穩(wěn)

2、壓最大電源功率50w，能夠?qū)崿F(xiàn)過流及短路保護功能。二、方案論證開關穩(wěn)壓電源，實質(zhì)上是一個受控制的電子開關。電子開關在直流穩(wěn)壓電源中做調(diào)整元件，通過改變調(diào)整器件的導通時間和截止時間的相對長短，來改變輸出電壓的大小，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。方案一：方案一原理方框圖如圖1所示：采樣電路運算放大電壓比較市網(wǎng)輸入輸出調(diào)整管整流濾波PWM控制保護電路圖1 開關穩(wěn)壓電源電路的原理框圖（一） 采用二極管單相橋式整流，通過電容的充放電過程實現(xiàn)濾波功能，三極管為調(diào)整管，利用PWM控制調(diào)整管的開通于關斷實現(xiàn)電路的開關功能，采樣電路與電壓比較環(huán)節(jié)共同實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)作用，保護電路為截流行過流保護。方案二：方案二原理方框

3、圖如圖2所示比較放大整流濾波輸出市網(wǎng)輸入PWM控制保護電路采樣電路調(diào)整管圖2 開關穩(wěn)壓電源電路的原理框圖（二） 方案二與方案一明顯的不同在于，方案二中調(diào)整管的位置決定了方案二為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。方案選擇：兩套方案中均采用PWM脈寬控制，在開關管導通周期不變情況下對其導通時間（占空比）的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)開關穩(wěn)壓作用，但關鍵在于，方案一為串聯(lián)穩(wěn)壓型電路，又稱降壓型穩(wěn)壓電路，即輸入的電壓大于輸出電壓，方案二為升壓型穩(wěn)壓電路，實驗要求穩(wěn)壓電路的輸出為5V24V,不需要升壓過程，所以本次設計采用方案一完成。三、電路設計1、主電路（換能電路） 主電路圖主要應用的是串聯(lián)型脈寬開關控制電路接法，電路如圖3所示：圖3

4、PWM控制總電路開關穩(wěn)壓電路的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓，晶體管Q1為調(diào)整管（即開關管），三極管基極輸入為矩形波，控制開關管的工作狀態(tài)，電感L與電容C組成輸出濾波電路，D為續(xù)流二極管。當基極為高電平時，Q1飽和導通，D3因承受反壓而截止，電感L存儲能量，電容C充電；發(fā)射極電位Ue近視等于輸入電壓。當基極電壓為低電平，Q1截止，此時雖然發(fā)射極電壓為0，但是電感釋放能量，其感應電動勢使D3導通，C放電，負載電流方向不變。2、整流濾波電路 穩(wěn)壓電源的電源主要采用市網(wǎng)電壓，首先需要將正弦波交流電源調(diào)整成為所需的直流輸入。電路如圖4所示：V1220 Vr

5、ms 50 Hz 0° D11243T24321C150UoU2圖4 降壓整流濾波電路 電路的電源為市網(wǎng)220V，50Hz，用變壓器對電壓降壓，變比為220/30=7.33，輸出電壓為30V。單項橋式整流克服了半波整流僅適用于整流電流較小，對脈沖要求不高的缺點，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓的整個周期呢負載的電壓與電流方向始終保持不變。濾波電路采用的是電解電容，容量較大，利用電容的充放電過程是輸出的電壓趨于平穩(wěn)。 Uo1.2U2 二極管選擇:Urm>1.1U2=46.66V If>1.1*Io/2=1.1U2/*Error! No bookmark name give

6、n.Rl3、調(diào)壓電路Q1R3R250%U1A321141VCC12VDZR170VCC321VEE-12VVEER1k456圖5 電壓調(diào)節(jié)電路 晶體管Q1為調(diào)整管，電阻R與穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成基準電壓電路，電阻R1，R2，R3為輸出電壓的采樣電路，集成運放作為比較放大電路，為了是輸出電壓可調(diào)，也為了加深電壓負反饋以提高輸出電壓的穩(wěn)定性，所以通常在基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的基礎上，引入放大環(huán)節(jié)。電阻選擇：Uomin=(R1+R2+R3)/(R2+R3)*Uz Uomax=（R1+R2+R3）/R3*Uz實際調(diào)試電路中Uz=3.265v,R1=26.8k,R2=40k,R=10.05k。4、PWM控制電路U2

7、ALM358N32481U4ALM358N32481VEE-24VVEE-24VVCC24VVCC24VC2910nFR8500?R91k?R12250?432VCCVEEVEEVCC00R21k?R5R61k?R450%VCC24VR3R7U3ALM358N32481VEE-24VD31N4449L11HC4820uFQ1D2 U1ALM358N32481C36mFVCC71413128VEE651190101圖5 控制電路U1ALM358N32481U2ALM358N32481VEE-12VVEE-12VVCC12VVCC12V00VCCVEEVEEC1910nFVCCR1500¦

8、;¸R21k¦¸23R3250¦¸1D25 V D15 V 504圖6 三角波發(fā)生電路滯回比較器（U1A）輸出的電壓U01=±Uz，輸入電壓為積分電路（U2A）的輸出電壓Uo,積分電路正相積分，Uo隨時間增長線性增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大，Uo將從-Uz躍變回+Uz，回到初態(tài)，積分電路反相積分，并重復以上過程，因此產(chǎn)生三角波振蕩電路。 采樣電壓Un1與基準電壓Uref之差，經(jīng)U4放大后作為U3組成的電壓比較器的閥值電壓Up2，三角波發(fā)生電路的輸出電壓與之相比較，得到控制信號Ub，控制調(diào)整管工作狀態(tài)。5、保護電路圖7 截流型保護電

9、路電路 截流型過流保護電路，Q1為調(diào)整管，R7為采樣電阻，它與Q2，R10，R11構(gòu)成保護電路，I0增大，Ube2增大，未過流時，Ube2<Uon,Q2截止，當I0增大到一定數(shù)值或輸出端短路時，Q2導通，對調(diào)整管Q1基極分流，是I0減小，從而導致輸出電壓U0減小輸出最小值：I0=Uon/kR0（k=R2/(R1+R2)）.四、性能的測試1、整流濾波電路C1500nFV1220 Vrms 50 Hz 0° T221XMM234XSC1ABExt Trig+_+_60D11B4B421243測量數(shù)據(jù)：C=500nF 周期T=10ms 頻率f=100Hz變壓器副邊電壓為30v2、電壓

10、調(diào)節(jié)電路電路的初步組成測試顯示，當滑動變阻器調(diào)至頂端，輸出電壓接近為5V，調(diào)至低端時輸出電壓接近25V，初步測試成功。4、三角波發(fā)生器電路三角波周期為2ms，峰值為5v。5、電路整體性能測試五、結(jié)論 綜合運行以上各項并認真測試，可確定此可調(diào)開關穩(wěn)壓電源電路，在運行過程中基本能夠完成設計要求，實現(xiàn)了輸出為5V25V的可調(diào)范圍正常工作，具有短路及過流保護功能，并可以工作在開關狀態(tài)，符合設計要求。計算值與測量值存在誤差，以測量值為主。六、性價比該電路主要使用到變壓器，二極管全波整流橋，集成運放，二極管（含穩(wěn)壓二極管），電感，電容（含電解電容），滑動變阻器，電阻等器件，均為模擬器件，通過對各元件功能的

11、統(tǒng)一了解和掌握，并利用他們之間的關聯(lián)而設計，開關型電源出現(xiàn)簡易的雛形。所用元器件種類較少，價格較低廉，美中不足在于沒有數(shù)字管的介入，數(shù)字管與模擬管的結(jié)合，電路的會更精簡且精準。七、課設體會及合理化建議在本次課程設計中，發(fā)現(xiàn)了在模擬電子方面自身還有很大的不足，在多方面的查找資料與請教老師同學后，才對這門課程有了更深一步的了解和掌握，通過查閱資料，才懂得我們所學的狹隘與簡陋，大量的書籍資料是成功的向?qū)?。我認為此次課程設計，從理解課題，到思索對策，尋找方法，到查閱書籍，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，再到實際仿真測試，無一不是對我們的實踐能力，動手能力，以及思維的拓展有者巨大幫助的，雖然時間短暫，但是收獲頗豐。在

12、緊張的課設過程中發(fā)現(xiàn)，課題的新意與經(jīng)典是需要結(jié)合的，比如說一些經(jīng)典的理論知識是走到哪都能用的，還有一些東西是需要自己查找的，這樣不僅能“溫故”，更能“知新”。同時，我還發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如說一種器件，在仿真過程中工作起來特別方便可靠，但是在實際中并非如此，要同時考慮到多方面因素的影響。課本上的東西也不都是對的，至少現(xiàn)代工藝上也處在發(fā)展之中，所以抱有懷疑的態(tài)度學習，也是一種提升自我的方式。實踐是檢驗真理的唯一標準，無論平時學得再好，書本上的東西還是膚淺的，只有在實踐中發(fā)現(xiàn)了問題，并通過努力把問題解決，這才是真正的掌握知識。接觸新的事物，需要的是快速了解，適應與掌握，此次課程設計中的multisi

13、m軟件是我第一次接觸，通過上網(wǎng)查詢與逐步學習，現(xiàn)在基本能夠利用軟件獨立設計電路方案，當自己精心努力做出來的設計方案可以運行成功，心里著實充滿了喜悅，同時也激勵著我們繼續(xù)向前。知識和生活是不可分割的，在學習中成長，在生活中實踐，不斷的充實完善自我，是這次課程設計中讓我感受最深的，也是在我今后的學習工作中佇立的航標燈。參考文獻1童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎. M北京：高等教育出版社，2006年2閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎. M北京：高等教育出版社，2006年3候振義、夏崢、柏雪倩、孫進.直流開關電源技術(shù)及應用. M北京：電子工業(yè)出版社，2006年4王增福、李農(nóng)、 魏永明.新編常用穩(wěn)壓電源電路. M北京：電子工藝出版社，2005年5李定宣.開關穩(wěn)定電源設計與應用. M北京：中國電力出版社，2006年 6梅開鄉(xiāng)、梅軍進.電子電路實驗. M北京：北京理工大學出版社，2010年附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1T2變壓器 Ts_Ideal12D1整流橋1G4B213C1電解電容500nf14C4電容820uf15C3電容6mf16R1電阻1.5k17