七、電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)制作報(bào)告

1、電源設(shè)計(jì) 輔導(dǎo)教師：摘 要就像水是人的生命之源，電源那么是電路的能量來源。本文設(shè)計(jì)制作了一個集穩(wěn)壓、穩(wěn)流、DC-DC變換和變頻于一體的高穩(wěn)定電源。采用TL494組成的降壓型DC-DC穩(wěn)壓電路和LM324組成的線性穩(wěn)壓電路組成穩(wěn)壓電路，LM324組成穩(wěn)流電路，DC-DC變換電路由TL494和高頻電壓器構(gòu)成，變頻那么由單片機(jī)控制，通過軟件實(shí)現(xiàn)。采用LCD12864液晶顯示主芯片溫度和輸出電壓，數(shù)碼管顯示輸出電流。本電源功能全面，輸出穩(wěn)定可調(diào)，在工業(yè)生活中具有很大用途。關(guān)鍵字：穩(wěn)壓 穩(wěn)流 DC-DC變換 變頻一、引言電源作為電路的能量來源，在電路中起著關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源并進(jìn)

2、展變頻電源設(shè)計(jì)，要求如下：1根底局部 穩(wěn)壓電源。在輸入電壓220V、50Hz電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+9V+12Vc在輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載的電壓調(diào)整率0.2%d最低輸入電壓下，滿載的負(fù)載調(diào)整率1%e最低輸入電壓下，滿載時，紋波電壓峰-峰值5mVf輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載時，效率40%g具有過流及短路保護(hù)功能 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(diào)b輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時，負(fù)載調(diào)整率1%輸出電流為20mA DC-DC變換器。在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+1

3、00V，輸出電流為10mAb輸入電壓變化范圍+9V+12V下，電壓調(diào)整率1%c輸入電壓+12V下，空載到滿載，負(fù)載調(diào)整率1%d輸入電壓+9V下，滿載，紋波電壓峰-峰值100mV 對輸出電壓進(jìn)展變頻設(shè)計(jì)。使輸出電壓頻率在25hz75hz之間變化，并能顯示頻率變化。2發(fā)揮局部 擴(kuò)大功能a排除短路故障后，自動恢復(fù)為正常狀態(tài)b過熱保護(hù)c防止開、關(guān)機(jī)時產(chǎn)生的“過沖 提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值 改善DC-DC變換器a提高效率在100V、100mA下b提高輸出電壓 用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流。二、方案設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)思路在接入市電下，先制作穩(wěn)壓

4、電源穩(wěn)定輸出電壓范圍在+9V+12V；然后制作穩(wěn)流電源，在穩(wěn)定輸入電壓為+12V下，輸出穩(wěn)定電流范圍420mA可調(diào)；第三步制作DC-DC變換器，在輸入電壓為+9V+12V條件下，輸出電壓+100V，輸出電流10mA；最后用單片機(jī)以軟件實(shí)現(xiàn)變頻設(shè)計(jì)。在穩(wěn)壓局部增加線性穩(wěn)壓模塊可有效降低電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，采用集成芯片可提供過流、過壓保護(hù)。采用溫度傳感器結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。電源關(guān)鍵在于輸出紋波盡量小，帶負(fù)載能力盡量大，所以整個設(shè)計(jì)主要圍繞這兩方面進(jìn)展。系統(tǒng)框圖如下列圖1所示：圖1 總系統(tǒng)框架圖2.方案論證與選擇1穩(wěn)壓電源方案論證與選擇方案一：從濾波電路輸出后，直接進(jìn)入線性穩(wěn)壓電路。系統(tǒng)框圖如

5、下列圖2所示。線性穩(wěn)壓電路輸出值可調(diào)，輸出為+9V+12V直流電壓。這種方案優(yōu)點(diǎn)在于：電路簡單，容易調(diào)試，但效率上難以保證，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓電路的輸入端一般為15V左右的電壓，而其輸出端只有912V，兩端壓降太大，功率損耗大，不利電路總效率。方案二：以方案二為根底，在線性穩(wěn)壓電路的前端參加降壓型DC-DC變換器，采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)和恒壓差控制技術(shù)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。在這種情況下，通過DC-DC變換器把不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，由于采用脈寬調(diào)制技術(shù)和恒壓差控制，使得線性穩(wěn)壓電路兩端壓差減小，有效降低功耗。另外，因?yàn)槭褂妹}寬調(diào)制，很容易進(jìn)展過流、過熱和自保恢復(fù)。圖3 方案二系統(tǒng)框圖綜

6、合比擬，方案二更加滿足要求。2穩(wěn)流電源方案論證與選擇方案一：采用雙運(yùn)放構(gòu)成恒流電路。這種方案利用運(yùn)放構(gòu)成一個深度負(fù)反應(yīng)電路，能夠有效抑制外界干擾，使得恒流電源工作穩(wěn)定性增強(qiáng)。方案二：采用LM317集成芯片構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源。將LM317的3端與1端之間固定壓降為1.25V，流經(jīng)固定電阻后產(chǎn)生穩(wěn)定電流。綜合比擬，考慮LM317集成度非常高，不利于實(shí)行工程自我設(shè)計(jì)，因此選擇方案二。3DC-DC變換器方案論證與選擇方案一：采用Boost型DC-DC升壓器。這種方案雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是不適合自行設(shè)計(jì)，輸出/輸入電壓比也太大，輸出電壓范圍小，難以到達(dá)較高指標(biāo)。方案二：采用帶變壓器的開關(guān)電源。采用高頻電壓器，可

7、以做到輸出電壓寬，開關(guān)頻率和占空比適宜。4顯示器的論證與選擇方案一：采用七段數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管，顯示大亮度高，驅(qū)動部份的軟件簡單，但是耗電和功耗比擬大。題目要求最高顯示6位數(shù)碼，對數(shù)碼管而言硬件電路較復(fù)雜，還要顯示萬年歷，因此數(shù)碼管不適合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶顯示。12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12864全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示84個(1616點(diǎn)陣)漢字。具有很好的人機(jī)界面。綜合比擬，考慮到需顯示的量比擬多，因此同時采用方案一和方案二。12864主要顯示溫度、輸出電壓和頻率，數(shù)碼管顯示輸出電流。硬件電路設(shè)計(jì)1整流濾

8、波電路整流濾波電路將220V/50Hz的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。電路原理如圖4所示。當(dāng)輸入為220V交流電壓時，首先通過變壓器降至23V左右交流電壓，整流局部選用全波橋式整流電路形式，經(jīng)電容濾波輸出電壓為29V直流電壓。2穩(wěn)壓電源電路PWM降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路：采用集成芯片TL494為控制核心，其他由PNP型大功率開關(guān)管TIP32A、二極管MR850和LC低通濾波電路組成。電路原理圖如下列圖5所示。TL494產(chǎn)生固定開關(guān)頻率控制大功率開關(guān)管TIP32導(dǎo)通與斷開，開關(guān)管導(dǎo)通期間，二極管MR850反偏，由輸入提供能量給電感，同時提供能量給負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感電壓使二極管導(dǎo)通，電感中存儲的能量傳

9、送給負(fù)載。圖5 PWM降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路開關(guān)電源的開關(guān)頻率由TL494上引腳端5和6上的電容和電阻決定，關(guān)系式為 選取開關(guān)頻率=1.1MHz，那么選取電阻=1K，電容=1000P。電容和電阻的電阻，到達(dá)限流保護(hù)的作用。線性穩(wěn)壓電路：在降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路的根底上，實(shí)現(xiàn)線性高精度穩(wěn)壓，以降低紋波，提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。線性穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管TL431(2.5V)、比擬器LM324、達(dá)林頓管MJE3055和電阻反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成。電路原理如下列圖6所示。圖6 線性穩(wěn)壓電路圖穩(wěn)壓管產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓2.5V，接比擬器同向輸入端，輸入電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓反應(yīng)至比擬器方向輸入端進(jìn)展比擬，比擬輸出電壓控制達(dá)林頓管

10、的發(fā)射極電壓，從而得到所需高穩(wěn)定直流電壓。輸出電壓為取=3K，=1K，那么調(diào)節(jié)電位器可使輸出在+9V+12V可調(diào)。3穩(wěn)流電源電路 穩(wěn)流電路主要由雙運(yùn)放LM324構(gòu)成。電路原理如下列圖7所示。圖7 LM324構(gòu)成穩(wěn)流電源電路輸出級LM324的同向電壓和反向電壓分別為+ 根據(jù)放大器特性，=，取,那么上的壓降等于基準(zhǔn)電壓，計(jì)算得到=。那么輸出電流為調(diào)節(jié)電位器可得到輸出電流范圍420mA。4DC-DC變換器電路升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路的工作原理如圖7所示。開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電流流過電感和開關(guān)管，二極管反向偏置，無輸出。當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感的感應(yīng)電勢使二極管導(dǎo)通，二極管正偏，輸入向負(fù)載提供能量。 DC-DC變

11、換器升壓型以TL494為控制核心，以功率晶體管IRF630、整流二極管HER107和高頻變壓器，以及阻容元件構(gòu)成。TL494內(nèi)部構(gòu)造見附件2，電路原理如圖8所示。TL494產(chǎn)生一定頻率PWM波，控制功率晶體管導(dǎo)通和截止。當(dāng)IRF630受控導(dǎo)通時，高頻變壓器將電能轉(zhuǎn)變成磁能儲存起來，當(dāng)IRF630截止時，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變，HER107由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通，高頻變壓器將原先儲存的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^整流和LC濾波網(wǎng)絡(luò)變成直流向負(fù)載供電。圖8 TL494控制的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路TL494產(chǎn)生開關(guān)頻率控制功率晶體管，并且產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。輸出電壓為取=100K，K，調(diào)節(jié)電位器=3.125K，那

12、么可計(jì)算得輸出電壓=100V。高頻變壓器：變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電變壓器原理圖流時，鐵芯中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓或電流。變壓器由鐵芯和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。市面上很難買到適合題目要求的高頻變壓器，因此我們選擇自己繞制。輸入電壓最小值Vin=9V，最大占空比Dmax=0.45，要求輸出電壓U=100V，電流I=10mA，得變壓器功率W取f=40KHz，那么變壓器繞阻電感量=940000) =匝數(shù)比=(100+1)9)=135單片機(jī)模塊A/D轉(zhuǎn)換器：采用AT89S52單片機(jī)作為A

13、/D和顯示的控制中心，A/D轉(zhuǎn)換的作用是進(jìn)展模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。該設(shè)計(jì)運(yùn)用的是AVR單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關(guān)，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度，信號預(yù)處理電路精度A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖如附件3所示。溫度傳感器：溫度傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲

14、、顯示、記錄和控制等要求。溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個工作周期可分為兩個局部，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。紅外遙控：紅外遙控是將一個由“1、“0組成的指令串，被調(diào)制成38KHz的脈沖段，經(jīng)放大后，由紅外發(fā)射管發(fā)射。接收端由紅外接收管、選頻在38KHz的放大電路等組成。把接收到的紅外信號復(fù)原成指令串，從而實(shí)現(xiàn)遙控的目的。紅外模塊原理圖見附件4所示。6顯示模塊采用LCD12864顯示溫度、輸出電壓和變化后頻率，用ICL7107和數(shù)碼管顯示輸出電流，12864與單片機(jī)的連接圖和7107外圍線路圖見附件5。7外接電

15、源模塊此電源僅為ICL7107提供+5V和-5V工作電壓。采用橋式整流，采用三端集成穩(wěn)壓器7805和7905穩(wěn)定輸出需要電壓。電路原理圖見附件9所示。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1變頻設(shè)計(jì)通過單片機(jī)產(chǎn)生一組PWM波，軟件控制CD4066雙向模擬開關(guān)的開關(guān)頻率，從而到達(dá)控制PWM波的頻率效果。CD4066 集成電路內(nèi)部主要由四路功能完全一樣的電子開關(guān)組成，各組開關(guān)分別受其相應(yīng)引腳輸入的電平控制，使電子開關(guān)接通或斷開。它們的控制引腳為13腳(控制與間開關(guān))、腳(控制與間開關(guān))、腳(控制與間開關(guān))、12腳(控制與11間開關(guān))。其內(nèi)部構(gòu)造圖見附件10所示。2程序設(shè)計(jì) 主函數(shù)顯示界面翻開，承受分析溫度傳感器信號、A/

16、D轉(zhuǎn)換電壓信號，調(diào)用子函數(shù)顯示溫度、電壓。紅外遙控接收管接收紅外信號，單片機(jī)分析改變和顯示頻率。程序流程圖如下列圖9所示：圖9 變頻顯示程序流程圖三、系統(tǒng)測試1測試條件和測試儀器設(shè)備系統(tǒng)容易受到溫度的干擾，測試時必須在室溫下進(jìn)展，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，測試儀器設(shè)備如下表1所示：表1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注出廠編號1Tektronix示波器1TektronixC0390702函數(shù)信號發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備0013983數(shù)字萬用表 UT58E1UNI-T30500306332測試方法和測試結(jié)果 所有測試電路詳見附件1。1穩(wěn)壓電源測試 輸出電壓和輸出電流

17、測試。外接負(fù)載為6的功率電阻，調(diào)節(jié)電位器，改變輸出電壓，觀察電流表讀數(shù)變化。測量結(jié)果如下表2所示：表2 輸出電壓、輸出電流測試結(jié)果輸出電壓V910111213輸出電流A測試結(jié)果說明：輸出最大電流不小于1.5A，并且不大于1.51A。 電壓調(diào)整率測試。輸入市電下，從空載到滿載，測得輸出電壓如下表3所示：表2 電壓調(diào)整率測試結(jié)果負(fù)載空載滿載輸出電壓計(jì)算出電壓調(diào)整率為滿足題目要求。 紋波測試。接上負(fù)載后用泰克示波器觀察紋波Uc=30mV，不能滿足指標(biāo)要求。分析原因可能是電路基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定，也可能是開關(guān)電源局部開關(guān)頻率選取不夠適宜。 效率測試。萬用表測得變壓器輸出電壓=23.2V，輸出電流=。電源輸

18、出電壓=8.24V，輸出電流=。那么效率為2穩(wěn)流電源測試 輸出電流測試。外接負(fù)載阻值為200，調(diào)節(jié)電路中的電位器用萬用表測出輸出電流最小值和最大值。測試結(jié)果如下表3所示：表3 穩(wěn)流輸出電流測試結(jié)果工程最小值最大值輸出電流mA結(jié)果說明：輸出電流在420mA范圍內(nèi)可調(diào)。 負(fù)載調(diào)整率測試。用萬用表分別測出負(fù)載為200和300時的輸出電流，結(jié)果如下表4所示：表4 穩(wěn)流負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果負(fù)載200300輸出電流mA計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率為3DC-DC變換器測試 輸出電壓和電流測試電路見附件5所示。測電流所接負(fù)載阻值為10K，測試結(jié)果輸出電壓U=100V，輸出電流I=10mA。 電壓調(diào)整率測試。在輸入912V電壓下，用萬用表直接測輸出電壓，結(jié)果如下表5所示：表5 DC-DC電壓調(diào)整率測試結(jié)果輸入電壓V912輸出電壓V100計(jì)算電壓調(diào)整率為 負(fù)載調(diào)整率。測試電路見附件6所示，輸入電壓為12V下，滿載阻值為10K測試，結(jié)果如下