直流稳定电源电路设计.docx
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直流稳定电源电路设计
直流稳压电源设计
摘要
21世纪的我们正在处于蓬勃发展的信息时代，在此，越来越多的电气、电子设备涌现在市场的各个角落，于是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。
本实验设计有三个电路模块构成：
稳压电源、稳流电源、DC-DC变换器。
一律采用仿真技术设计调试。
依上述顺序，每个模块的输入即为前一模块的输出，而稳压电源的输入为市电220v\50Hz。
其中稳定电源的设计要满足在输入电压220V、50Hz、电压变化围＋15%～－20%条件下．输出电压可调围为+9V～+12V，最大输出电流为1.5A，电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化围＋15%～－20%下，空载到满载），负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载），纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载），效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载），具有过流及短路保护功能。
电流设计要满足在输入电压固定为＋12V的条件下，输出电流：
4～20mA可调，负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）。
DC-DC变换器设计要求要满足在输入电压为+9V～+12V条件下，输出电压为+100V，输出电流为10mA，电压调整率≤1%（输入电压变化围+9V～+12V），负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载），纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）。
关键词：
稳压电源电路设计仿真调试数据整理
1、原理电路的设计………………………………………………2
1.1直流稳压电源电路设计…………………………………………2
1.2直流稳流电源电路设计…………………………………………5
1.3DC-DC转换电路设计……………………………………………8
1.4电路图与主要工作原理…………………………………………10
1.5主要参数的选择与计算…………………………………………10
2、仿真、调试过程………………………………………………11
2.1电路实物的安装与调试…………………………………………11
2.2DC-DC转换器的仿真与参数分……………………………………12
2.3针对问题的调试…………………………………………………13
3、数据整理及最终分析及遇到的问题…………………………14
4、元器件清单……………………………………………………16
5、主要参考文献…………………………………………………17
1、原理电路的设计
1.1直流稳压电源电路设计
在本设计中电路都是采用模块设计思想.因此,对电路进行分析、论证都以模块来进行的。
1.1.1可行的直流稳压电源电路设计方案
经过对课本的学习，以及从各种书本与网络上获取的信息，我从中归结了以下几种设计思路：
1.1.1.1采用单级开关电源,由220V交流整流后,经开关电源稳压输出.但此方案所产生的直流电压纹波大,在以后的几级电路中很难加以抑制,很有可能造成设计的失败和超出技术指标参数。
1.1.1.2串联型反馈式稳压电路（参考教材）。
从滤波电路输出后,直接进入线性稳压电路如下1.1所示。
线性稳压区域为一个串联型反馈式稳压电路，又可分为基准电压、比较放大器、调整管、取样电路四部分。
线性稳压电路输出值可调,为9-12V直流稳压输出.这中方案的优点是:
电路简单,容易调试。
图1.1
1.1.1.3在第二个方案的基础上加上DC-DC变换器（即在线性稳压电路前端加入）,采用脉宽调制（PWM）技术,并采用恒压差控制技术,如图1.2所示。
图1.2
在这种情况下,由DC-DC变换器来完成从不稳定的直流电压到稳定的直流电压的转变,由于采用脉宽调制技术和恒差控制技术,使得线性稳压电路两端呀差减小,电路消耗大幅度下降,解决了方案二中的效率低的问题.其次,由于使用脉宽调制技术,很容易过流、过热、自动保护恢复.此外,还可在DC_DC变换器中加入软启动电路,以抑制开关是的“过冲”。
1.1.1.4LM317集成稳压芯片构成的可调式稳压电源
用LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源，主要因为它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源电路图1.3：
图1.3
1.1.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案
由于方案1所产生的直流电压纹波大,在以后的几级电路中很难加以抑制,很有可能造成设计的失败和超出技术指标参数，不宜采用。
方案3与方案4简单且可行性比较高，但本实验的设计是从稳压源———稳流源———DC-DC变换器的模块分布设计的，故方案三不采纳。
方案4个人认为实际上是将方案2的部分设计思路与原件通过LM317集成稳压芯片来实现的，本着学习其部原理的目的，此次实验设计采用方案2。
1.2直流稳流电源电路设计
1.2.1可行的直流稳流电源电路设计方案
1.2.1.1下图1.4由双运放构成的恒流电路
图1.4
Out1是深反馈同相放大器;out2接成电压和跟随器组态,它把输出电压反馈回输入端.依放大器特性:
Up=Ur*R22/（R22+R23）+Uo*R23/（R23+R22）
Un=Uo’*R24/（R24+R25）
Up=Un
在设计中,取R22=R23=R24=R25.由以上三式可得Uo’-Uo=Ur,即电路R26上的压降（Uo’-Uo）等于控制电压Ur.忽略集成运放的输入偏置电流,则输出电流为:
Io=Ur/R26
这种方案利用运放构成一深反馈电路,有效地抑制了外界干扰,使得恒流电源工作稳定性增强,理论上可以达到0.001-0.0001之间的稳定度,完全满足设计要求。
1.2.1.2高精度恒压恒流直流稳压电源电路
该电路可以实现稳流输出，但毫无疑问的是过于复杂，精度极高，超出题目要求及制作条件，故不予考虑。
1.2.1.3开关电源式高压恒流源电路图
研制仪器需要一个能在0到3兆欧姆电阻上产生1MA电流的恒流源,用UC3845结合12V蓄电池设计了一个,变压器采用彩色电视机高压包,其中L1用漆包线在原高压包磁心上绕24匝,L3借助原来高压包的一个线圈,L2借助高压包的高压部分.L3和LM393构成限压电路,限制输出电压过高,调节R10可以调节开路输出电压。
1.2.1.4采用的LM317集成三端稳压器，用12V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。
电路如图1.5：
图1.5LM317组成稳流电源电路
1.2.1.5TL431恒流源电路
原理图如下所示。
该恒流源如与稳压线路配接，可做电流限制器用。
恒流值与Vref和 外加电阻，即下图中的R6于Rz之和有关，因此调整Rz的阻值，可以改变流经负载Rl的电流，从而成为可调稳流源。
图1.6
1.2.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案
高精度恒压恒流直流稳压电源电路可以实现稳流输出，但毫无疑问的是过于复杂；双运放构成的恒流电路的方案利用运放构成一深反馈电路,有效地抑制了外界干扰,使得恒流电源工作稳定性增强，可以很好的满足设计要求；用LM317制作恒流源电路的方案同样简单易行，在性能上也能达到设计要求指标。
但是经过综合考虑可行性、简便性、设计目的性与制作时间等各个方面，我最终选择最后一个恒流源方案，即TL431恒流源电路。
1.3DC-DC转换电路设计
1.3.1可行的DC-DC转换电路设计方案
1.3.1.1DC-DC转换电路.使用此电路的目的在于最大限度地降低模块低功耗，同时为下一级提供一个稳定直流电压。
它的电路如图1.7所示。
图1.7DC-DC电路图
DC-DC电路为由核心芯片TL494作控制的单端PWM降压型开关稳压电路.图中R3与C3决定开关电源的开关频率.电阻R11作为限流保护电阻用。
其片误差放大器（EA1）的同相输入端（脚2）通过5.1K欧姆电阻（R4）接入反馈信号，从后级线性稳压电路得到分压.开关管采用PNP型大功率晶体管。
1MHz电流型PWMDC/DC变换器的原理框图。
电流型控制电路以UC3843为核心，开关频率为1MHz；变换器采用推挽式〔3〕主电路；同步整流采用功率MOSFET可控整流电路；辅助电流由电阻和12V稳压管组成（也可采用自举电路），为UC3843提供+12V电源；电流采样是取变压器初级串联电阻上的电压（见图中电阻R）。
1.3.1.2集成运算放大器的升压电路
不过此电路只能由5V升至30V，达不到设计要求。
1.3.1.3DC-AC-DC转换升压电路
这一电路依靠Q1、Q2、Q3组成的自激震荡电路，将直流电源输入的电能转化为交流电压，经变压器升压后再恢复为直流。
此种电路结构简单，设计合理，且升压围比较大，能够达到设计要求。
缺点在于输出的电压不稳定，有较大波动，而且交流纹波电压比较大。
原理图如下：
图1.8
1.3.2最终决定的DC-DC转换电路设计方案
经过综合各方面因素，我最终选择了第3个方案，即DC-AC-DC转换升压电路。
1.4电路图与主要工作原理
由于时间问题，以上三个模块全部用仿真软件进行仿真与调试。
1.4.1稳压模块工作原理
串联型稳压电路利用双极性三极管的CE极间电阻受基极电流控制的特性，构成以双极性三极管稳压电路为核心的串联型稳压电路，通过引入了典电压串联负反馈，进一步提高了输出电压的稳定性。
而之前的滤波整流电路从50Hz、220V的交流电压中得到直流电压。
1.4.2稳流模块工作原理
恒流值与Vref和 外加电阻，即原理图5中的R6于Rz之和有关，因此调整Rz的阻值，可以改变流经负载Rl的电流，从而成为可调稳流源。
1.4.3DC-DC转换器模块工作原理
依靠第一级的稳定电压输出供电，依靠原理图中的Q1、Q2、Q3和R7、R8、C5构成的自激振荡电路，由上一级的直流供电产生一个交流电信号，在经过变压器升压，再度转换为直流信号输出，同时达到升压的目的。
在恒定频率的PWM通断中,控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压Ucon与锯齿波相比较而产生的.控制电压则是通过偏差（即实际输出电压与其整定值之间的差值）获得的.锯齿波的峰值固定不变，其重复频率就是开关的通断频率。
在PWM控制中,这一频率保持不变,频率围从几千赫到几十万赫.当放大的偏差信号电平高于锯齿波的电平时,比较器输出高电平，这一高电平的控制信号导致开关导通,否则,开关处于关断状态.当后级反馈电压高于TL494的基准电压5V时，片误差放大器EA1输出电压增加,将导致外接晶体管T和TL494部T1、T2管的导通时间变短，使输出电压下降到与基准电压基本相等，从而维持输出电压稳定，否则结果相反。
1.5主要参数的选择与计算
串联型负反馈式稳压电路的计算公式如下：
输出电压与调整管Vce的关系：
Vo=Vi-Vce=9V~12V
输出电压与分压电阻和稳流管的关系：
[（R1+R2+R3）/R2+R3]*Vz通过计算，最终选择R1=4k欧，R2=2k欧,R3=6k欧
同时稳压管选择1N5233B，其额定电流为76mA，稳定电压为6V
调整管的功耗较大，故选择大功率管BCW72
运用较大的4700uf的电容和较小的0.01uf的电容同时滤除高频与低频的纹波。
输出端用一8欧的电阻与负载串联，从而起到控制最大电流为1.5A的作用
2、仿真、调试过程
由于时间有限，所设计的三个模块应用MULTISIM进行仿真。
2.1直流稳压电源的仿真电路图及结果：
仿真电路如2.1所示：
图2.1
仿真结果：
最大输出电压为12.04V
最小输出电压为9.03V
最大输出电流：
Imax=1.502A
2.2稳流电源的仿真电路图及结果：
仿真电路如图2.2所示：
图2.2
可调围满足要求。
可调最大电流Imax=24.866mA
可调最小电流Imin=2.268mA
2.3DC-DC电压转换器的仿真电路图及结果：
仿真电路图如下所示
图2.3
电压扩大围满足要求
输出电压为Vo=100.076V
：
3、实验过程中遇到的问题：
仿真过程中遇到的两个问题：
3.1在进行仿真的过程中，对我同时仿真了双运放构成的恒流电路，下图为仿真图3.1：
图3.1
但是通过仿真结果的测试没有得到预计的参数，由于时间有限，对此电路图还不是了解十分清晰，因此未能找到原因。
3.2设计电路在进行DC-DC电压转换电路的仿真中我先进行了按照原理图中的电路连线仿真，电路图如下3.2：
图3.2
但是结果仍没有达到预期效果，原因仍有待我去研究。
之后通过查找多方面的资料，转化了电路图，最终才得到了符合要求的结果
4、元器件清单
稳压源部分
主要原器件
参数
个数
变压器
16V
1个
整流桥
2A/100V
1个
稳压管
1N5233B
1个
电解电容
4700uF
1个
电容
0.01uF
1个
功率放大器
LM324M
1个
调整管
BCW72
1支
电阻
1k
1支
4k
1支
6k
1支
8k
1支
可变电阻
2k
1支
万用表
XMM1
1块
恒流源部分
主要原器件
参数
个数
稳压管
TL431A
1个
三极管
2N2222
1个
电阻
2K
1支
200K
1支
100K
1支
可变电阻
1K
1支
万用表
XMM1
1块
电容
22uF
1支
0.1uF
1支
DC-DC变换器
变压器
TS_PQ4_10
1个
三极管
2N2222A
2个
TIP31C
1个
二极管
1N4007
1个
电阻
3.9
1支
1K
1支
4.7K
1支
680K
2支
10M
1支
45M
1支
电容
1uF
1支
电解电容
0.01uF
1支
万用表
XMM1
1块
5、主要参考文献
《模拟电子技术基础》吴有宇主编
《晶体管电路设计》科学出版
《电子线路设计·实验·测试》第三版，自美主编，华中科技大学
《新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学
《电子技术基础课程设计》，梅生等编著，高等教育
《实用单元电路及其应用》黄继昌，海贵；；人民邮电
《模拟电子电路基础》王卫东，江晓安.电子科技大学，2003
《电路与电子简明教程》王槐斌吴建国周国平.华中科技大学，2006
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