集成直流稳压电源的设计晟哥.docx

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集成直流稳压电源的设计晟哥

引言

随着科技的发展，电气、电子设备已经广泛的应用于日常、科研、学习等各个方面。

电源作为电气、电子设备必不可少的能源供应部件，需求日益增加，而且对电源的功能、稳定性等各项指标也提出了更高的要求。

对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。

本设计主要用串联型稳压电路设计直流稳压电源，通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。

1绪论

1.1直流稳压电源概述

在电子电路及电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，作为电子电路中必不可少的组成部分，它的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路能量来源。

常见的供电方式有两种，一种是采用干电池、蓄电池或其他形式如光电池等向电路供电，这种供电方式是用化学能或其他形式的能量转化为电能之后，向电路提供能量，其缺陷在于能量的使用要受实际条件（如电池的容量）的限制；另一种是利用电网向电路供电，这种供电方式是把电网的交流电经过降压、整流、滤波和稳压之后，转化为直流电向电路提供能量，其优势在于电网所提供的能量是源源不断的。

小功率稳压电源的组成可以用图1-1表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。

图1-1直流稳压电源结构图和稳压过程

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。

在电子设备中，所需的直流电能比较小，一般在千瓦以下，但要求电压的稳定性较高。

通常对直流电源的要求是：

输出电压稳定、纹波小、负载能力强等。

直流电源的性能指标主要有如下几个参数：

1.1.1输入电压Ui。

电源所要求的（交流）输入电压，在我国一般是220V、50Hz的交流电。

1.1.2额定输出电压U0。

电源输出的直流电压值，可变电源为某个范围值。

1.1.3最大输出电流IM。

电源在额定输出电压U0，所能提供的最大输出电流。

有时也用最大输出功率PM来表示。

1.1.4纹波系数S。

电源输出电压所含有的基波分量的峰值与输出直流电压之比，它反应了输出电压的稳定程度。

本设计主要讨论的是把电网电压的单相交流电转换为直流电源的方法、实现的电路及直流电源的性能指标。

最后简单介绍开关型稳压电源的电路组成原理及分析方法。

1.2本文研究的主要内容

通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

设计基本要求：

根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数；

完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图；

完成电路的安装、调试，使作品能达到预定的技术指标；

给出测试各项技术指标的方法（包括所使用的仪器），撰写测试报告及使用说明书。

2总体设计

2.1设计的目的和任务

2.1.1设计目的

（1）、通过集成直流稳压电源的设计，安装和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器及相关元器件设计直流稳压电源；

（2）、掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。

2.1.2设计任务

（1）、集成稳压电源的主要技术指标

输出电压：

±15V（最大输出电流2A）；5~12V可调（最大输出电流1A）。

稳压系数小于5×1‰，输出内阻小于0.1欧。

纹波电压小于5mV。

具有过流保护功能。

具有输出电压指示功能。

（2）、设计要求

根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。

完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。

完成电路的安装、调试，使作品能达到预期的技术指标。

给出测试各项技术指标的方法，撰写测试报告。

2.2设计原理及其方案图

2.2.1设计原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图和基本应用电路如图2-1和图2-2所示。

各部分电路的作用如下：

图2-1直流稳压电源基本组成框图

图2-2直流稳压电源基本应用电路

（1）、电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。

变压器副边与原边的功率比为

P2/P1=η

式中η为变压器的效率。

一般小型变压器的效率如表2-3所示。

表2-3小型变压器的效率

通过上表可以算出变压器原边的功率P1。

（2）、整流滤波电路

整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压UI。

常用的整流滤波电路有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流滤波电路如图2-4（a）、（b）及（c）所示。

图2-4几种常见整流滤波电路

各滤波电容C满足：

RL1C=（3~5）T/2

式中T为输出交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

（3）、三端集成稳压器

常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。

①固定式集成稳压器

正压系列：

78××系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。

一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。

78××系列又分三个子系列，即78××、78M××和78L××。

其差别只在输出电流和外形，78××输出电流为1.5A，78M××输出电流为0.5A，78L××输出电流为0.1A。

负压系列：

79××系列与78××系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

78××系列和79××系列的典型电路如图2-5（a）、（b）、（c）所示。

图2-5固定三端稳压器的典型应用

②可调式三端集成稳压器

正压系列：

W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。

其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。

最大输出电路为1.5A。

其典型如图2-6所示，其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，输出电压U0的表达式为：

U0≈1.25（1+RP/R1）

式中，R1一般取值为（120~240欧），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。

负压系列：

W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

图2-6可调式三端稳压器的典型应用

③集成稳压器的电流扩展

若想连续输出1A以上的电流，可采用图2-7所示的加接三极管增大电流的方法。

图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。

VT2为过流保护三极管，正常工作时该管为截止状态。

三极管VT1的直流电流放大倍数β必须满足β≥I1/I0。

另外，I1的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极管接成达林顿管方式。

图2-7输出电流扩展电路

可以得出输出电流为：

IL=I0+I1

但这时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是VT2和R2。

当电流Ii和R2上产生的电压降达到VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而达到限制电流的目的。

保护电路的动作点是：

Ilmax≈Iimax=UBE2/R2

三极管的UBE2具有负温度系数，设定R2数值时，必须考虑此温度系数。

以上通过采用外接功率管VT1的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。

若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流。

2.2.2总体设计方案图

（1）、同时输出±15V电压的稳压电路

图2-8同时输出±15V电压的稳压电路

（2）、输出5~12V可调的稳压电路

图2-9输出5~12V可调的稳压电路

器件选择

电路参数计算如下。

a.确定稳压电路的最低输入直流电压UImin

UImin≈［UOmax+（UI－UO）min]/0.9

代入各指标，计算得：

UImin≥[12+3]/0.9＝16.67V

所以取值17V。

b.确定电源变压器副边电压、电流及功率

UI≥UImax/1.1，II≥IImax

所以取II为1.1A。

UI≥17/1.1＝15.5V变压器副边功率P2≥17W

变压器的效率η＝0.7，则原边功率PI≥24.3W。

由上分析，可选购副边电压为16V，输出1.1A，功率30W的变压器。

c.选整流二极管及滤波电容

因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。

已知整流二极管1N5401，其极限参数为URM＝50V，ID＝5A。

滤波电容：

C1≈（3~5）T×IImax/2UImin＝（1941~3235）μF

故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。

稳压器功耗估算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

UImax＝1.1×1.1×16＝19.36V

所以稳压器承受的最大压差为：

19.36－5≈15V

最大功耗为：

UImax×IImax＝15×1.1＝16.5W

故应选用散热功率≥16.5W的散热器。

其他措施

如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2。

接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。

当C3的容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB，减少原来的1/10。

另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中存储的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。

为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作。

但当输出端有500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。

为了抑制自激，在输出端接一只1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4。

该电容还可以改善电源的瞬态响应。

但是接上该电容以后，集成稳压器的输入的一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入和输出端之间，接一只保护二极管VD1。

3单元电路的设计

3.1整流电路的设计

利用二极管的单向导电性，将交流电压（电流）变成单向脉动电压（电流）的电路，称为整流电路。

交流电分为三相交流电和单相交流电，在小功率电路中一般采用单相半波、全波、桥式整流电路和倍压整流电路。

本节主要研究单相桥式整流电路，对于倍压整流电路及全波整流电路，可通过相应参考书来了解。

为简化分析，假定二极管是理想器件，即当二极管承受正向电压时，将其作为短路处理；当承受反向电压时，将其作为开路处理。

单相桥式整流电路

为了保留全波整流电路效率高、脉动系数小的优点而克服其反向电压高的缺点，若使二极管承受的反向电压和半波电路一样，比全波整流电路减少一半，使二极管成本下降，可在此基础上多用几只二极管，如图3-1所示电路就基本解决了上述问题。

图3-1单相桥式整流电路

（1）、电路组成及工作原理

桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥，电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载。

这种电路有三种画法，如图所示。

在工作时，D1、D2与D3、D4两两轮流导通。

在u2正半周，二极管D1和D2正向导通，而D3、D4反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：

a→D1→RL→D2→b→a，u0=u2；在u2的负半周，二极管D3和D4正向导通，而D1、D2反向截止，形成负载电流i0，i0流通路径为：

b→D3→RL→D4→a→b，u0=－u2。

由此可见，不论哪两只二极管导通，负载电流的方向都始终保持不变。

电路各处电压、电流波形如图3-2所示。

图3-2单相桥式整流电路的波形图

（2）、输出电流电压U0

由桥式整流电路的波形可知，其输出电压及流过二极管的电流与全波整流的波形相同：

U0=0.9U2

（3）、整流二极管的选择

由桥式整流电路的波形可知，每只二极管截止时所承受的反向电压为变压器副边电压峰值，因此，各二极管所承受的最大反向电压为

URM=1.4U2

虽然是全波整流，由于二极管仍然是只有半个周期导通。

此值与半波整流电路相同，负载上的电流是这个数值的2倍。

ID=I0/2

3.2滤波电路的设计

经过整流后，输出电压在正负方向上没有变化，但输出电压波形仍然保持正弦波的形状，起伏很大。

为了能够得到平滑的直流电压波形，需要有滤波的措施。

在直流电源上多是利用电抗元件对交流信号的电抗性质，将电容器或电感器与负载电阻恰当连接而构成滤波电路。

电容有通高频、阻低频的作用，将其直接并在整流电路后面，可以让高频电流通过电容流回电源，从而减少了流入负载的高频电流，降低了负载电压的高频成分，减小了脉动。

下面讨论电容滤波电路的工作原理，为讨论问题的方便，我们以半波整流电容滤波电路为例进行分析，电路如图3-3所示。

图3-3单向半波整流电容滤波电路及其波形图

3.2.1滤波电路工作原理

设u2波形如图3-3（b）所示，未接电容时，输出电压如图3-3（b）中的虚线所示。

在u2正半周，设u2由零上升，二极管D导通，u0=u2，此时电源对电容充电，由于充电时间常数很小，电容充电很快，所以电容上升的速度完全跟得上电源电压的上升速度，uC=u2。

当u2上升到峰值时，电容充电达到1.4U2，二极管D截止，随后u2下降，电容C向负载RL放电，放电时间常数为RLC，其值较大，所以电容电压下降的速度比u2下降到速度慢得多，此时负载电压靠电容C的放电电流来维持，u0=uC。

当电容放电到b点时，uC＜u2，二极管D又导通，电容又被充电。

充电至1.4U2后，又放电。

如此重复进行，就得到输出电压的波形如图3-3（b）中实线所示。

由图可见，经电容滤波后，负载电压变得平稳，且平均值提高了。

桥式整流电容滤波电路的原理与半波时相同，其电路和波形如图3-4所示。

图3-4单相桥式整流电容滤波电路及其波形图

3.2.2滤波电路输出直流电压

在有滤波电容的整流电路中，要对其输出直流电压进行准确的计算是很困难的，工程上一般按下列经验公式进行估算。

当电容的容量足够大，满足RLC≥（3－5）T/2（T为电网电压的周期）时，

对于半波整流电容滤波：

U0≈U2

对于全波或桥式整流电容滤波：

U0＝1.2U2

3.2.3滤波电容的选择

为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中常根据下式选择滤波电容的容量。

对于半波整流：

RLC≥（3－5）T

对于全波或桥式整流：

RLC≥（3－5）T/2

由于电容值比较大，约为几十至几千微法，一般选用电解电容，接入电路时，注意极性不要接反，电容器的耐压值应大于1.4U2。

3.2.4整流二极管的选择

对于半波整流滤波电路：

ID=I0，URM=1.4U2

对于全波或桥式整流电容滤波电路：

ID=I0/2，桥式整流URM=1.4U2，全波整流URM=2.8U2。

由图3-3、图3-4可见，加上电容滤波，流过整流管的电流变成脉冲电流，由于电源接通的瞬间，电容相当于短路，有一个很大的冲击电流流过二极管，其瞬间值可以是正常工作时的好几倍，故在选择整流管最大允许的正向平均电流时，应留有充分的裕量，一般选IF=（2~3）ID。

3.3稳压电路的设计

集成三端稳压器具有体积小，外围元件少，调整简单，使用方便且性能好，稳定性高，价格便宜等优点，因而获得越来越广泛的应用。

常见的有固定式和可调式两类集成三端稳压器，内部多以串联型稳压电源为主，还有适当的过流、过热等保护电路。

一般固定式较便宜，可调式较贵，性能也好些，功率相对也较大。

3.3.1固定式三端稳压器

主要有7800系列（输出正电压）和7900系列（输出负电压）。

后两位数字通常表示输出电压的大小。

图3-5是外形图和电路符号。

加散热片后允许功耗达到7.5W，普通型稳压器最大输出电流为1.5A。

图3-5固定式集成三端稳压器外形及电路符号

（1）、基本应用电路

图3-6所示为基本应用电路。

具体型号应根据输出电压大小和极性选择。

VI和VO间的差压，即|VI－VO|≈（3~5）V。

图中C1用于抑制芯片自激，应尽量靠近稳压器管脚；C2用于限制芯片高频带宽，减小高频噪声。

如果对输出要求高，还应接10μF以上的电解电容作滤波用。

图3-6固定式三端稳压器基本应用电路

（2）、扩展应用电路

图3-7是正负电压输出型稳压电路。

图3-8（a）、（b）是输出电压扩展电路的两种类型。

图3-7正负输出稳压电路

图3-8输出电压扩展电路

3.3.2可调式三端稳压器

常见产品有LM317、LM337等，国产型号有CW317、CW337。

后两位数字为17的为正电压输出；若是37，则为负电压输出。

其特点是输出电压连续可调，调节范围较宽，其电压调整率、负载调整率等指标均优于固定式三端稳压器。

图3-9为其外形图和电路符号。

图3-9可调式集成稳压器

图3-10为其典型应用电路，可调范围为1.2V~37V，最大输出I0=1.5A（普通型）。

V0=1.25（1+RW/R）

式中，1.25是输出与调整端之间的参考电压VREF。

R的选择应使流过其自身的电流远大于IA。

一般取R=（120~240）欧，RW使用多圈电位器，C2可进一步减小输出电压的纹波。

二极管D可防止输出端与地短路时，C2上的电压损坏稳压器。

图3-10可调式集成稳压器典型应用

3.3.3稳压器的主要性能指标及测试方法

（1）、主要性能指标

稳压系数S

稳压系数又称为输入稳定系数，反映输入电压VI变化时输出电压VO维持不变的能力。

S越小，说明稳压性能越好。

电压调整率SV

SV仅考虑由输入电压变化引起的输出电压相对变化量，即

SV=△VO/VO×100%

电流调整率SI

SI仅由输出电流的变化引起的输出电压的相对变化量，即

SI=△VO/VO×100%

纹波抑制比SR

SR是在输入、输出条件不变时，输入纹波电压的峰—峰值VIP－P与输出纹波电压的峰—峰值VOP－P之比，即

SR=20lg（VIP－P/VOP－P）

（2）、稳压电源性能指标的测试电路

图3-11稳压电源性能指标的测试电路

4电路安装与指标测试

4.1安装整流滤波电路

首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。

检查无误后，通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器作等效负载，用示波器观察输出是否正常。

4.2安装稳压电路部分

集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压UI（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。

注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。

4.3总装及指标测试

将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：

UI为最高值（电网电压为242V），UO为最小值（此例为+5V），测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应使输出电流为最大负载电流）。

UI为最低值（电网电压为198V），UO为最大值（此例为+12V），测稳压器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。

如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进行质量指标测试。

5串联型开关稳压电源

5.1电路组成

图5-1为串联型开关稳压电源的基本组成框图。

图中T为开关调整管，它与负载RL串联，因此称为串联型。

L、C构成低通滤波环节，二极管D称为续流二极管，当T截止时，为LC电路提供连续的电流。

R1、R2组成取样电路，A1为误差放大器，将取样电压uF与基准电压UREF之差放大，得到一个输出电压uA。

A2为电压比较器，根据uA和三角波uT的比较结果，使输出电压uB在一个三角波周期内的占空比发生变化，又称为脉宽调制（PWM）电路，以uB的高、低电平去控制调整管T的导通与截止。

图5-1串联型开关稳压电路组成框图

5.2工作原理

误差放大器A1对来自输出端的取样电压uF与基准电压UREF的差值进行放大，其输出电压uA送电压比较器A2的同相输入端，若uA大于三角波uT的幅值，输出uB为高电平，调整管T饱和导通，若忽略其饱和降，使uE≈UI，二极管D承反向电压而截止，uE通过电感L向负载RL提供电流，这时电感L上的感应电动势极性为左“+”右“－”，随时间线性增长，L同时存储能量，当iL>IO后，C开始充电，UO稍有增大。

若uA小于uT，uB为低电平，T截止，uB≈0，iL减小，电感L上的感应电动势极性为左“－”右“+”，以阻止iL的下降，续流二极管D导通，电感中存储的能量通过D向负载释放，使RL中继续有电通过。

这时iL线性下降，当iL

各点的电压电流波形如图5-2所示。

图5-2

若令调整管的导通时间为ton，截止时间为toff，开关的转换周期由三角波uT的周期决定，设为T，则T=ton+toff，忽略滤波器的直流压降、调整管的饱和压降及二极管的导通电压，输出电压的平均值为

UO=UIt1/T=qUI

若某种原因使UO升高，则uF增大，uA下降，调整管导通时间ton减小，占空比q=ton/T将减小，可以自动调整使UO稳定。

6结论

本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器（固定式和可调式）来设计两组（同时输出±15V电压和输出5~12V可调）直流稳压电源。

其结构简单，使用元器件较少，又不需要投切的开关，干扰源和瞬变噪声相应地大大减少；系统的可靠性好，其精度高，成本低，便于维修，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。

通过这次设计，使我更加巩固了这三年来所学的专业知识，也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。

此外，也深深体会到了做学问一定要有认真、严禁的治学态度，这也将对我以后的学习和工作起到莫大的帮助。

致谢

本设计是在管金云老师悉心指导下完成的。

管老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处世的道理。

本设计从选题到完成，每一步都是在管老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。

在此，谨向管老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

参考文献

[1]吴慎山