可调直流稳压电源设计

目 录

 一、设计目的作用·······································1

 二、设计要求···········································1

  2.1 直流稳压电源的种类及选用··························1

  2.2 稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求··············2

  2.3 串联型直流稳压电源的设计要求······················2

 三、设计的具体实现·····································2

  3.1 系统概述··········································2

  3.2 单元电路设计与分析·······························4

   3.2.1 降压电路·······································5

   3.2.2 整流电路·······································5

   3.2.3 滤波电路·······································7

   3.2.4 稳压电路·······································9

  3.3 元件电路参数计算·································10

  3.4 电路主要测试数据·································11

 四、总结··············································12

 五、附录··············································12

 六、参考文献··········································14
一、设计目的作用

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路——电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作，当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统，通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路，不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备，我们的生活也就不会这么丰富多彩了。

由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源，直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

二、设计要求

 2.1 直流稳压电源的种类及选用

直流稳定电源按习惯可分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：

 （1）化学电源：平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。

 （2）线性稳压电源：线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热,而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品；缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。

 （3）开关型直流稳压电源：电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹，功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1% V，好的可做到十几mV或更小)。它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。

 2.2 稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求

 （1）稳定性好

    当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压Usc的变化应该很小一般要求。由输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示：S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为10~10。

  （2）输出电阻小

负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又叫等效内阻）用rn表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。rn反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1，甚至0.01。

 （3）输出电压纹波小

所谓纹波电压，是指输出电压中50Hz或100Hz交流分量，通常用有效值或峰峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，而降低的倍数反比于稳压系数S。

 2.3 串联型直流稳压电源的设计要求

 （1）输出电压从1.25V开始连续可调；

 （2）所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；

 （3）输出电压应能够适应所带负载的启动性能；

 （4）电路还必须简单可靠，有过流保护电路，能够输出足够大的电流。

三、设计的具体实现

 3.1 系统概述

符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：

 （1）晶体管串联式直流稳压电路

电路框图如图1所示，该电路中输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压Ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从1.25 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从1.25 V开始调节。

                

 （2）采用三端集成稳压器电路

电路框图如图2所示，采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，可实现输出电压从1.25V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

               图2  电路结构框图

 （3）用单片机制作的可调直流稳压电源

该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317、LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得1.25～24V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理图如图3 所示。

       

方案论证与比较

方案一：结构简单，可用常用分立元器件，容易实现，技术成熟，完全能够达到技术参数的要求，造价成本低，精确度不是太高。

方案二：稳压部分需采用一块三端稳压器其他分立元器件，元器件先进，技术成熟，完全能达到题目要求，性能较方案一需优越一些，但成本较高。

方案三：电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24V 范围内的可调直流电压，且其性能于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本很高，使用于要求较高的场合。在实际中，如果对电路的要求不太高，多采用第二种设计方案。

综合考虑，采用方案二来实现。

 3.2 单元电路设计与分析

本电路采用三端集成稳压器电路方案，电路分为降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路四大部分组成。电路原理图如图4所示，其中IC为三端集成稳压器LM317，电阻R1和电容C3组成软启动电路。

图4  输出电压可调的直流稳压电源电路原理图

 3.2.1 降压电路

本电路使用的降压电路是单相交流变压器，选用电压和功率依照后级电路的设计需求而定。变压器电路原理图及其波形变换如图5 所示，变压器的功能是交流电压变换部分，作用将电网电压变为所需的交流电压，即将直流电源和交流电网隔离。

                              

图5  变压器及其波形变换

变压器工作原理电路示意框图如图6 所示。

 

图6  变压器工作原理电路示意框图

 仿真一：电源变压器的基本特性

 （1）要求：电源变压器(10：1，220V 50Hz)，负载电阻：100.

 （2）仿真电路：

图7  电源变压器仿真电路图

 3.2.2 整流电路

整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电，但是这种直流电的幅值变化很大。它主要是通过二极管的截止和导通来实现的，其电路原理图及其波形变换如图8所示。常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路，而本设计选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。

                      

图8  整流电路原理图及其波形变换图

 （1）电路图：如图9所示，二极管D1、D2、D3、D4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。

 （2）工作原理：在V2的正半周,D1、D3导通，D2、D4截止，通过D1、D3给R提供电流，方向由上向下（图中虚线)；  

图9  桥式整流电路电路图

在V2 的负半周，D2、D4 导通，D1、D3 截止，通过D2、D4给R提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形。

 （3）波形图:

图10  桥式整流电路波形图

 仿真二：桥式整流电路

 （1）要求：整流桥（理想）1 只。

 （2）仿真电路：

图11  桥式整流电路仿真电路图

 （4）参数计算：

   ①输出的直流电压值为：;

   ②流过负载平均电流：;

   ③流过整流二极管的平均电流：;

   ④整流二极管的最大反向电压：.

 3.2.3 滤波电路

尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种。电容在电路中有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，效果较好。而且本电路后级是稳压电路，因此可以使用电容滤波电路进行简单滤波。

 （1）电路组成：电容滤波电路如图12 所示。

图12  电容滤波电路图  

 （2）工作原理：

   ①负载未接入（开关S 断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V为正半周时，V通过D1、D3向电容C 充电；V为负半周时，经D2、D4向电容C充电。充电时间常数为：t=RintC。其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V的最大值V，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C 两端的电压)保持在V不变。

   ②Ⅰ、接入负载R（开关S合上）时：设变压器副边电压V从0开始上升时接入R，由于电容已到V，故刚接入负载时，V＜V，二极管在反向电压作用下而截止，电容C 经R放电，放电时间常数为：t=RLC。因t一般较大，故电容两端电压V(即V)按指数规律慢下降（图中a,b段）。

Ⅱ、当V升至V＞V时，二极管D1、D3 在正向电压作用下而导通，此时V经D1、D3 一方面向R提供电流，一方面向C充电（接入R后充电时间常数变为t=R/RintC≈RintC ）。V将如图中b、c 段所示。

Ⅲ、当V又降至V＜V时，二极管又截止，电容C又向R放电，如图中c、d段所示。电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压V= V，由此可见输出电压的波动大大减小。

Ⅳ、为了得到平滑的负载电压，一般取t=RLC≥(3~ 5)T/2 (T 为交流电周期20ms)此时：V = (1.1~ 1.2)V。

图13  电容滤波电路波形图

 仿真三：电容滤波

 （1）要求：电容2200μF 1只

 （2）仿真电路：

图14  电容滤波仿真电路图

 3.2.4 稳压电路

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.25～37 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过载保护电路，具有稳压精度高、工作可靠等特点。其输出电压的调节原理如图15所示。

 

   由于LM317的2、3脚之间的电压U为一稳定的基准电压(1.25V)，故有：

式中，1.25V是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压U；R取值120～240（此值保证稳压器在空载时也能正常工作），调节Rp可改变输出电压的大小（Rp取值视R和输出电压的大小而确定）。

 3.3 元件电路参数计算

 （一）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器

选可调式三端稳压器LM317，其特性参数Vo=1.25V-37V，Iomax=1.5A，最小输入、输出压差(V-V)=3V，最大输入、输出压差(V-V)=40V.

由计算得V≈1.25(1+R/R)，取R=200，则R=，故取Rp为5K的精密线绕可调电位器。

 （二）选电源变压器

输入电压V的范围为：Vomax+(V-V)min≤V≤Vomin+(V-V)max

                   24V+3V≤V≤1.25V+40V  27V≤V≤41.25V

副边电压V≥V/1.1=27/1.1V，取V=27V，副边电流I＞Iomax=0.3A，取I=0.5A，则变压器副边输出功率P≥IV=13.5W.

变压器的效率η=0.6，则原边输入功率P1≥P2/η=22.5W，为留有余地，选功率为30W的电源变压器。

 （三）选整流二极管及滤波电容

①整流二极管耐压V＞V=V，I＞IOmax =0.3A

          

为了焊接便利，选择整流桥KBP307(1000V 6.0A)作为整流部分。

②滤波电容:

为了留有余地，取2200uF/50V 作滤波电容。

 （四）保护管VD1 ,VD2

集成稳压器如果离滤波电容C1较远,应在靠近LM317输入端接0.1旁路电容C2，接在调整端和地之间的电容C3用来旁路电位器两端的纹波电压。当C3容量为10时,纹波抑制比可提高20dB,减小到原来的十分之一。另一方面,由于C3的接入,一旦输入或输出端发生短路,C3中储存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,故在R两端并接二极管VD2.

在没有容性负载的情况下,稳压器可以稳定地工作,但当输出端有500-5000pF的容性负载时,容易发生自激。为抑制自激,在输出端接一只25的铝电解电容C4,它还可以发送电源的瞬态响应。但当输入端发生短路时,C4中储存的电荷将对稳压器输出端放电,放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器两端并接保护二极管VD2.

VD1和VD2 都选用IN4007：额定电流1A，最大反向电压100V.

3.4 电路主要测试数据

1、变压器次级输出：;

2、整流输出：;

3、Rp阻值变化时，测电路的输出电压

由以上数据分析可见，本次设计基本满足各项要求指标，说明设计合理，制作正确。

 四、总结

经过这次的课程设计我收获了很多，也学习到了很多有关专业方面的知识！通过自己预先设计的电路，然后再参考一些书籍上的电路并经过修改和创造，设计成了最终符合要求的电路原理图，并进一步了解和学习了整个电路的各个部分的具体工作原理，达到了理想的要求，最后我用Multisim软件对电路图进行了部分仿真，经过对前面部分电路的仿真我掌握了仿真的具体方法，总的来说我对仿真的结果还是比较满意。

在电路设计过程中，我了解了稳压直流电源的组成部分和各部分的具体的作用，并且通过专研和实际的调试、测试，掌握了各级输出级的电压值的具体测量方法和误差分析。学会了电路各部分元件参数的计算和确定，以及通过对实验参数指标的要求和各部分电路各个元件之间的关系来准确的确定具体的电路和元件的实际参数。通过对电路的理论分析从而在一定程度上大致分析所得的试验结果进行分析和确定正确与否，也通过实际的操作和对各元件的实际参数与理论值之间的差别了解了各影响因素对电路和试验结果的影响。以及采取怎样的措施来有效的减小以致消除外界不稳定因素对试验参数的影响，从而使测量的结果尽量准确，尽量与理论值之间的差别缩小到最小。

虽然在这次的实验设计和参数的确定以及试验结果的测试的过程当中也遇到了一些困难和迷惑，但是通过查阅相关的资料和书籍，并且跟同学互相探讨和研究，基本上解决了所遇到的问题。然而由于对专业知识具备的不足，在设计的时间上由于与复习考试的时间有些冲突，所以在设计电路过程中难免会存在一定的差错，而且由于自己目前对很多电子器件的实际性能和型号的了解不多，会在选择器件的时候选不到最适合的器件使电路工作在最佳状态，所以实验结果可能与理论值相差较大，但是经过调试已尽量使实验结果与理论值间的差值减小到最小，从而达到了设计的基本要求。

五、附录

元器件清单：

六、参考文献

[1] 周雪·电子技术基础·北京电子工业出版社·2004

[2] 郑应光·模拟电子线路（一）·南京东南大学出版社·2004

[3] 周良权·模拟电子技术基础·北京高等教育出版社·2001

[4] 骆雅琴·电子技术辅导与实习教程·合肥中国科学技术大学出版社·2004

[5] 王增福、魏永明·线性直流稳压电源·北京电子工业出版社·2005

[6] 邦雄·实用电源技术手册·吉林电子出版社·2004

[7]陶希平·模拟电子技术基础·北京化学工业出版社·2001

[8] 贾达·数字电子技术基础·北京化学工业出版社·2001

[9] 周敏、唐永强·电子技术·北京高等教育出版社·2000

[10] 杨志忠·数字电子技术·北京高等教育出版社·2000

[11] 张先永·电子技术基础·长沙国防科技大字出版社·2002

[12] 周始终、陈道·电子技术·重庆大字出版社·2000