直流稳压电源设计Word格式.docx

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第一章绪论

1.1研究的背景和意义

随着电子技术的发展，电气，电子设备在人们的生活和生产中起到了越来越重要的作用，许多的电子设备对电源也提出了更高的要求。

通常会有相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电,而是需要能够输出稳定直流电的的直流电源，而且对直流电源的性能、体积、重量等的要求也在不断提高，在世界能源贫乏的今天，电气，电子设备对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求；

与此同时，电子设备种类的不断增加，它们对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。

自上世纪九十年代以来，电子系统要求实现更高的效率和更低的功耗，电信与数据通讯设备的技术更新速度飞快，它也推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和更具智能化的方向发展。

从80年代的第一代分布式供电系统开始，到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流电源行业正面临着更大的挑战，那就是怎样实现在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制功能。

其实，在90年代中期，一些半导体生产商们就能够开发出了数控电源管理技术，但是在当时，这种方案的性价比与市面上广泛使用的模拟控制方案相比还相差甚远，因此没有被广泛采用在生产和生活当中。

因为当时板载电源管理被广泛的应用，电源行业能源节约和运行最优化也备受关注，电源行业和半导体生产商们便开始着手开发名为“数控电源”的一种新产品。

在今天，随着直流电源技术的快速发展,整流系统的发展由以前的分立元件和集成电路控制转换为使用微机控制,使直流电源达到了智能化的性能,其中包括具有遥测、遥信、遥控的三遥功能的直流电源,基本实现了在直流电源无人看守的情况下也能工作。

1.2电源的应用和发展现状

电源技术是一门实践性很强的电子工程技术，它服务于当今社会的各行各业，在生产和生活中得到广泛的应用。

电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域的知识。

随着计算机技术和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了非常广阔的发展前景，同时也对电源提出了越来越多的要求。

数控电源在电子装置中得到普遍使用，但是普通电源在工作时产生一些误差，会影响到整个系统的精确度，电源在使用时甚至会造成很多不良后果，给生产带来不便，因此世界各国对电源产品提出了不同的要求并制定了一些的产品精度标准。

只有满足了这些产品标准，才可以进入市场。

在经济全球化发展的今天，只有满足国际标准的电源产品才能获得进出各国的通行证。

电源可以分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的重要组成部分。

交流电源一般为220V、50Hz电源，但许多家用电器设备，电子产品都要采用直流电源作为供电能源，比如收音机、电视机、带微处理器控制的家电设备等。

现在所使用的大多数电子设备，几乎都必须用到直流稳压电源供电，才能使其正常工作，而如今最常使用的是能将交流电网的交流电压转换为稳定直流电压的直流电源，由此可见直流稳压电源在电子设备中起着非常重要的作用，直流电源为电子、电气设备能够正常稳定的工作提供保证。

电网的220V、50HZ的单向交流电经电源变压器降压后，再经过整流滤波过程可获得电压较低的小功率直流电源。

又因为一般的电网电压会有±

10%幅度的波动变化，必须将整流滤波后的直流电压经过稳压电路稳定后再提供给负载，才能够使负载上直流电源电压受电网波动因素的影响程度达到最小，保证电子设备的正常工作。

1.3直流稳压电源概述

在电子电路和电子设备中，一般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重要组成部分，它的作用有两个方面，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提供能量来源。

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，这种方式的缺陷在于能量的使用要受很多实际条件（如电池的容量）的限制；

另一种方式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，因为电网所提供的能量是源源不断的，所以这种供电方式具有很大的优势，也被广泛的使用。

直流稳压电源的基本组成结构可以用图1-1表示，它一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。

图1-1直流稳压电源结构图

电源变压器的作用是是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，通过整流电路可以将交流电压变成脉动的直流电压。

因为这种脉动的直流电压中还含有较大的纹波，所以必须通过滤波电路加以滤除，才能得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动，电网波动一般在±

10%左右，会受负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，电源还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，保证输出直流电压稳定。

在电子设备中，所需的直流电压比较小，一般在千瓦以下，但是要求电压具有较高的稳定性。

通常对直流电源的性能要求是：

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：

（1）输入电压Ui。

电源所要求的输入电压，一般是220V、50Hz的交流电。

（2）额定输出电压U0。

电源输出的直流电压，可变电源的某个范围值。

（3）最大输出电流Imax。

电源在额定输出电压U0下工作时，所能提供的最大输出电流。

有时也用最大输出功率Pmax来表示。

（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。

1.4本文研究的主要内容

（1）复习电子电路的相关知识，了解直流稳压电源的组成和工作原理。

查阅并收集与本课题有关的资料。

（2）设计直流稳压电源，满足性能指标要求，并对设计电路进行工作原理分析，元件参数计算及元件选择。

（3）对所设计电路进行仿真与调试。

（4）关于直流电源设计和仿真的总结与体会。

第二章设计方案

2.1设计的目的和任务

2.1.1设计的目的

随着电子技术的发展，电子设备在人们的日常生活和生产中的地位也越来越重要，直流稳压电源是许多电子设备不可缺少的组成部分，它被广泛的应用于教学、科研等诸多领域。

通过直流稳压电源的设计和对所设计电路进行仿真与调试，巩固所学的电子技术知识，提高对电路的设计、分析、应用和仿真的能力，为今后的从事相关的研发工作奠定基础。

2.1.2设计的任务

设计一个直流稳压电源，使之能够满足性能指标要求，能够对设计电路进行工作原理分析，计算出相关元器件参数，选择符合要求的各种电路元器件；

利用仿真软件对所设计电路进行仿真与调试；

对直流稳压电源的仿真调试结果进行分析和总结。

直流稳压电源的主要设计指标如下：

（1）输出电压Uo及最大输出电流Iomax：

I档：

Uo=±

12V对称输出,Iomax=100mA;

II档：

Uo=+5V,Iomax=300mA;

III档：

Uo=（+3～+9）V连续可调,Iomax=200mA。

（2）纹波电压：

∆Uop–p≤5mV。

（3）稳压系数：

SU<

=0.005。

（4）具有过流保护功能。

2.2设计的思路

直流稳压电源是一种将220V、50Hz的交流电转换成稳定直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

如图2-1所示

图2-1直流稳压电源设计波形变化图

直流稳压电源设计的基本思路为：

（1）电网提供的电压为交流220V（有效值）50Hz，若要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）经过电源变压器降压后的交流电压，通过整流电路进行整流，可以变成单向的脉动直流电，但其幅度变化大。

（3）脉动大的直流电压还须经过滤波电路才能变成平滑且脉动小的直流电，即将直流电中的交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路进行稳压，便可得到基本不受外界因素影响的稳定直流电压输出，这时候才可以供给负载RL。

2.3设计的电路选择

1.整流电路的设计

方案一:

采用半波整流电路

半波整流电路如图2-2所示，半波整流电路只利用电源输出电压的正半周，电源的利用效率非常低，会带来很大的资源浪费，它仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般半波整流电路电源电路中很少使用。

图2-2半波整流电路图

方案二：

采用全波整流电路

全波整流电路图见如图2-3所示，全波整流电路中的每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍，它所使用的整流器件较半波整流时多一倍。

全波整流电路的整流电压脉动较小，变压器的利用率比半波整流时高很多，整流器件所能承受的反向电压较高。

但是全波整流电路需要特制的变压器才能正常工作，变压器二次绕组需要一个中心抽头，制作起来会比较麻烦。

图2-3全波整流电路图

方案三：

采用桥式整流电路

桥式整流电路如图2-4所示，这种整流电路使用普通的变压器，比一般的全波整流电路多用到了两个整流二极管。

因为整流二极管以四个连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。

桥式整流电路使用的整流器件较一般的全波整流电路多一倍，但是其每个器件所承受的反向电压较小，在直流稳压电源的设计当中得到广泛使用。

图2-4桥式整流电路图

综合考虑以上3种方案的优缺点，决定采用方案三：

桥式整流电路。

2.滤波电路的设计

方案一：

采用电感滤波电路

电感滤波电路如图2-5所示，电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大，其滤波效果越好。

电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很较大的场合。

如果忽略电感线圈的直流电阻，负载上的直流电压与不加滤波时负载上的直流电压基本相同。

电感滤波电路输出电压没有电容滤波高。

在电感滤波电路中，峰值电流很小，整流管的导电角较大，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰，电感滤波电路用只用在低电压、大电流场合。

图2-5电感滤波电路

方案二:

采用RC滤波电路

RC滤波电路如图2-6所示，它是由两个电容和一个电阻组成，又称π型RC滤波电路。

这种滤波电路由于增加了一个电阻R1，使交流纹波都分担在R1上。

R1和C2越大其滤波效果越好，但R1过大又会造成压降过大，减小了输出电压。

在RC滤波电路中，一般R1应远小于R2。

图2-6RC滤波电路图

方案三：

采用LC滤波电路

LC滤波电路如图2-7所示，LC滤波电路是一种与RC滤波电路相对的滤波电路，此滤波电路的优点是综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的特性。

图2-7LC滤波电路图

方案四：

采用电容滤波电路

电容滤波电路如图2-8所示，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。

电容滤波电路简单，纹波较小，负载直流电压比较高，它适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，使用电容滤波电路也减轻了电路设计工作。

由于电感的体积和制作成本等原因，滤波电路多采用电容滤波。

图2-8电容滤波电路

基于以上的电路对比分析，选用电容滤波电路。

3.稳压电路的设计

稳压电路的作用是为电路提供更加稳定的直流电。

整流滤波电路的输出电压和理想直流电源还有一定的差距，主要因为两方面的原因：

第一，当负载电流发生变化时，由于整流滤波电路存在内阻，输出的直流电压将会随之发生变化；

第二，当电网电压有波动时，整流电路的输出电压与变压器副边电压有直接的关系，因此输出直流电压也会发生变化。

根据设计任务的要求，可以采用LM7805,LM7812和LM7912,LM317共同组成所需的稳压电路。

利用固定式三端稳压器LM7812和LM7912组装的电路可对称输出±

12v的直流电压；

LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压；

采用LM317可调式三端稳压器能够组装输出连续可调的（+3～+9）V直流电压。

第三章单元电路的原理和设计

3.1电源变压器

变压器是一种利用线圈互感特性构成的元器件，几乎所有的电子产品中都会用到变压器进行变压。

变压器的工作原理比较简单，但是在不同的使用场合，变压器的绕制工艺和方法会有所不同。

通常，变压器的功能主要有：

电压变换；

阻抗变换；

隔离；

稳压等。

它是由一个初级线圈及一个次级线圈组成。

电源变压器的效率是副边功率与原边功率的比值，即

=P2/P1（3-1）

其中：

是变压器副边的功率，

是变压器原边的功率。

一般小型变压器的效率如表3-1所示：

表3-1小型变压器的效率

副边功率

效率

0.6

0.7

0.8

0.85

一般根据变压器副边输出的功率P2来选取变压器。

由稳压器的要求得出变压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系。

U2的值不能取大，U2越大，稳压器的压差越大，功耗也越大。

一般取U2≥Uimin/1.1，I2>

I0max。

。

3.2整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

其电路如图3-1所示，这种电路，只要增加两只二极管口连接成"

桥"

式结构，便具有普通全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

因为二极管具有单向导电性，在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用。

在桥式整流电路中，流过变压器次级的电流是正负相对称的，没有直流成分流过次级绕阻。

桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小，管子所承受的最大方向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内部都有电流供给负载，使电源变压器得到了充分的利用，利用效率较高。

图3-1桥式整流电路

1.桥式整流电路的工作原理

如图3-1所示，

当U2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl，D3导通；

对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成U2、Dl、RL、D3通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压；

当U2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；

对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成U2、D2、RL、D4通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图3-1中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值。

如图3-2所示，经过桥式整流后，在负载电阻RL上正得到的是同一个方向的单向脉动电压。

图3-2桥式整流电路波形变化

2.桥式整流电路的参数计算

（1）输出平均电压Uo。

由Uo波形可知，桥式整流电路的输出平均电压是半波整流电路的2倍，即：

（3-2）

（2）流过每个二极管的平均电流ID。

由于D1、D3和D2、D4轮流导通，因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半，即：

（3-3）

（3）二极管承受的最高反向峰值电压URM。

当U2上正下负时，D1、D3导通，D2、D4截止，D2、D4相当于并联后跨接在U2上，因此反向最高峰值为：

（3-4）

3.单相桥式整流电路的负载特性曲线

单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线。

如图3-6所示：

该曲线的斜率代表了整流电路的内阻。

图3-3单相桥式整流电路的负载特性曲线

3.3滤波电路

交流电经过整流电路后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接给电子电路供电。

采用电容滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。

电容滤波电路，如图3-9所示：

图3-4电容滤波电路

图3-5电容滤波变化示意图

1.工作原理

如图3-5所示，若电路处于正半周，则二极管D1、D3导通，变压器次端电压U2给电容器C充电。

此时C相当于并联在U2上，所以输出波形同U2，是正弦形。

在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，Uo=Uc按正弦规律变化；

t2到t3时刻二极管关断，UC=URL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。

当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；

反之，RLC减少时，导通角增加。

当ＲL很小，即IRL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。

然而，当ＲL很大，即IRL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。

所以电容滤波适合输出电流较小的场合。

通常，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。

如果负载开路，即负载电阻趋于无穷大，电容没有形成放电回路，此时输出电压将保持为U2的峰值不变。

2.电容滤波电路的参数计算

（1）输出电压的估算

电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数τ=RLC有关，τ应远大于U2的周期T，通常，当τ=RLC≥（3～5）T/2时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即UO≈1.2U2。

（2）因为整流二极管的导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流，所以要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足:

IFM＞2IV=IO。

（3）如果负载电阻RL的大小，可根据公式选择滤波电容C的容量，即

C≥（3～5）T/2RL。

（3-5）

若容量偏小，输出电压UO将会下降，一般选择较大容量的电解电容；

电容的耐压值应大于U2的峰值，同时要考虑到电网电压波动的因素，留有一定的余量。

电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。

选择滤波电容时需要满足条件：

RLC≥（3-5）T/2。

电容滤波电路的输出特性曲线如图3-6所示。

从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载变化不大的场合。

图3-6电容滤波电路的输出特性曲线

3.4稳压电路

由于稳压电路会因为外界因素发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随之发生变化而不稳定。

因此，为了维持输出电压稳定不变，还需一个稳压电路。

稳压电路所起到的作用是当电网电压、负载、外界环境温度等发生变化时，使输出直流电压不受影响，而维持电压的稳定输出。

3.4.1串联反馈式稳压电路

串联型稳压电路是以稳压管电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；

在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；

同时，可以通过改变反馈网络参数使输出电压可调。

图3-7串联稳压电路的基本组成电路

1.串联型反馈式稳压电路的工作原理

如图3-7所示，显然有，VO=VI-VR，当VI增加时，R因受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影