《毕设》多路输出线性直流稳压电源设计.docx

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《毕设》多路输出线性直流稳压电源设计

多路输出线性直流稳压电源设计

设计总说明

电子设备给人们日常生活带来极大便利，所有的电子设备只有在电源电路的支持下才能正常工作。

电子设备对电源电路的要求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。

论文描述了稳压电源的发展概况、主要组成部分以及常用器件和典型电路，揭示了稳压电源的工作原理。

详细介绍了设计方案的选择，变压、整流、滤波、稳压和保护电路等各个组成部分的选型和参数计算，并通过LED数码管电路将输出电路的电压和电流显示出来。

给出了设计原理图、PCB设计图以及外壳结构和开孔尺寸大小图纸。

对电路板进行了调试，文中给出了具体的调试过程、调试结果，以及调试过程中遇到的问题和解决方案，最终达到了设计要求。

关键词：

稳压电源，PCB，调试，外壳结构

DesignofMultipleOutputLinearDCRegulated

PowerSupply

DesignDescription

Electronicequipmentsbringsomuchconveniencestopeopleindailylife.Alltheelectronicequipmentscannotwokproperlywithoutthesupportofthepowercircuit.Electronicequipmentsrequirepowercircuittoprovidesustainedandstablepower,tomeettheloadrequirements.Andusuallyitrequiressteadydirectcurrent,whichDCRegulatedpowersupplycanjustprovide.

Thispaperdescribesthedevelopmentandmaincomponentsofpowersupply,commondevicesandthetypicalcircuit,andrevealstheprincipleofregulatedpowersupply.Itpresentstheoptionofdesignprogramindetails,aswellasthetheselectionandcalculationofthecircuitforthetransformer,rectifier,filter,regulatorandprotection.AndtheLEDdisplaystheoutputvoltageandcurrent.Itgivestheschematicdesign,PCBdesignandthestructureandtheopeningsizedrawingsoftheshell.Thecircuitboardwasdebuggedandachievedthedesignrequirements.Thespecificdebuggingprocessing,resultsandtheproblemsencounteredandthesolutionsoftheproblemsaregiven.

KeyWords:

regulatedpowersupply,PCB,debugging,shellstructure

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

稳压电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。

人所皆知，所有用电设备，包括电子仪器仪表、家用电器等，对供电电压都有一定的要求。

例如：

有些电视机要求220V的电网电压变化不能超过±20%，即从198V到242V之间，如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。

至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。

为解决用电设备要求供电稳定，而市电电网电压又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳压电源。

事实上，稳压电源的输出，是相对稳定而并非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以允许的范围之内。

产生这些变化的原因主要有以下几个方面：

（1）由于电网输入电压不稳定所导致。

电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初；

（2）由于供电对象引起的，即由负载变化引起。

如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压将会升高。

即使不是这两种极端情况，负载电阻的变化也会引起稳压电源输出电压的变化；

（3）由于稳压电源本身造成的。

构成稳压电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动；

（4）由于元器件受温度、湿度等环境影响而性能改变也会影响稳压电源输出不稳定。

一般来说，稳压电源电路的设计首先考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳压电源中放大器的放大量等。

在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。

但在设计高精度稳压电源时，必须要高度重视第四个因素。

因为在高稳定度电源中，温度系数和温漂这两个关键的技术指标的好坏都由这个因素决定。

本次毕业设计针对线性稳压电源，其在日常生活中的使用相当普遍，选择做此项目，可以熟练的掌握此项技术，更利于所学知识的巩固及能力的提高，理论更贴近实际，对自已的长远发展有着深远的影响。

学习制作直流稳压电源可以：

（1）学习基本理论在实践中使用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计和调试能力；

（2）学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法；

（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.2稳压电源的发展

说到稳压问题，可以追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。

到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压电源及相应的技术文献。

电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。

在20世纪40年代后期，电子器件和磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在使用。

20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源构成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。

这种电源虽然性能优良，但它最大的缺点是由于功率调整管和负载串联，并且晶体管工作在线性区域，稳压电源的输出电压调节和稳定借助于功率晶体管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很厉害，散热便成了很大的问题。

随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元器件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。

这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益暴露。

20世纪60年代后期，科技工作者对稳压电源技术进行了一次新的总结，使开关电源和可控硅电源得到了快速发展。

和此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也在不断发展。

从1967年美国BobWidlar发明了第一块集成稳压电源uA723至今，集成稳压电源品种之多、系列之全使人们刮目相看。

目前，线性集成稳压电源已经发展到几百个品种，类型也多种多样。

按结构形式可以分为串联型和并联型集成稳压电源；按输出电压类型可以分为固定式和可调式集成稳压电源；按管脚的引线数目可以分为三端式和多端式集成稳压电源；按制造工艺可以分为半导体式、薄膜混合式和厚膜混合式集成稳压电源；按输入和输出之间的压差又可以分为一般压差和低压差两大类，等等。

1.3课题研究方法

直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。

本课题根据技术指标要求进行电源设计，目的在于尽可能节约成本的前提下，使其性能更加稳定。

在设计之前，应先了解稳压电源的基本构成及其工作原理，在此基础上，依据技术指标要求和设计规范进行优化设计。

为了在使用时，使用户可以更加方便地对电源的具体工作状况有所了解，我们通过LED数码管显示多路输出的电压和电流。

2稳压电源的分类、组成及技术指标

2.1稳压电源的分类

稳压电源的分类没有明确的含义和界限，一般都是按照习惯或通用的方法进行，在此简单介绍几种。

以稳压电源稳定的对象来分类，可以分为交流稳压电源和直流稳压电源两种。

交流稳压电源的输出电压是交流的，直流稳压电源的输出电压是直流的，两者通常都用交流电网供电。

以稳压电源的稳定方式来分类，可以分为参数稳压电源和反馈调整型稳压电源两种。

参数稳压电源主要是利用元器件的非线性实现稳压。

例如，仅用一只电阻和一只硅稳压管二极管就能够参数稳压电源。

反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它把稳压电源输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元器件，使输出电压得到补偿而趋近于原值，从而达到稳压。

以稳压电源的调整元器件和负载的连接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。

调整元器件和负载并联的叫做并联稳压电源或分流式稳压电源。

它通过调整元器件流过电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。

这种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。

调整元器件和负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。

在这种稳压电源中，调整元器件串接于输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元器件改变自身的等效电阻来维持恒定。

调整元器件如果是晶体管，就是我们通常所说的晶体管串联稳压型稳压电源。

以调整元器件的工作状态来分类，可以分为线性稳压电源和开关稳压电源。

调整状态元器件工作在线性状态的是线性稳压电源，调整状态元器件工作在开关状态的是开关稳压电源。

开关稳压电源又有很多分类，例如自激式、他激式、斩波式、推挽式、半桥式和全桥式等。

以调整元器件的品种来分类，可以分为稳压二极管稳压电源、晶体管稳压电源、可控硅稳压电源等。

此外，还有其他的分类方法，例如：

集电极输出型稳压电源，发射极输出型稳压电源；高精度稳压电源，高压稳压电源；通用稳压电源，专用稳压电源等。

稳压器的分类有时也是错综交织的。

例如：

一台稳压电源可以同时是直流、闭环反馈、线性调整、串联、晶体管集电极输出、专用、高精度稳压电源。

但一般不必这样说明，只要表示出其主要特点就行。

2.2直流稳压电源的基本组成

直流稳压电源要将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，基本框图如图2-1所示：

图2-1直流稳压电源的基本框图

图2-1直流稳压电源的基本框图

四个环节的工作原理如下：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。

常用的整流电路有全波整流、桥式整流等。

桥式整流电路是由四个二级管构成的一个整流电路，电压提供可以是一组交流电源输出为全波的脉动直流电。

其优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的使用。

全波整流电路中一种是桥式整流，另一种是双半波整流。

要求提供的电压的变压器为两个相同线圈串连在一起，三个线头两端各接一个整流管，构成两个半波整流电路两个二级管的末端接在一起，同中间的串连接头，分别为电路的正负极。

（3）滤波电路：

整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于0.01。

故整流输出的电压必须采取一定的措施．尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。

尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压维持稳定，基本不随交流电网电压和负载的变化而变化。

2.3直流稳压电源的技术指标

稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

2.3.1特性指标

（1）输出电压范围

输出电压范围是指符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。

该指标的上限是由最大输入电压和最小输入－输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。

（2）最大输入－输出电压差

　　该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。

（3）最小输入－输出电压差

　　该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。

（4）输出负载电流范围

　　输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。

2.3.2质量指标

（1）电压调整率

　　电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压Vi变化时直流稳压电源输出电压Vo稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。

（2）电流调整率

　　电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。

它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。

（3）纹波抑制比

　　纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰－峰值和输出纹波电压峰－峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。

（4）温度稳定性

　　集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（Tmin≤Ti≤Tmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。

2.3.3极限指标

（1）最大输入电压

　　最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。

（2）最大输出电流

　　最大输出电流是保证稳压电源安全工作所允许的最大输出电流。

3稳压电源常用元器件及电路

3.1晶体二极管

3.1.1晶体二极管的工作原理

晶体二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内和反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

当外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

3.1.2硅整流二极管的主要参数及定义

由于各类二极管的作用不同，其技术参数的侧重点也有差异，下面以在稳压电源中最常用的硅整流二极管为例进行论述。

（1）额定正向整流电流IF（平均值）：

在规定的使用条件下，在电阻性负载的正弦半波整流电路中，允许连续通过半导体整流二极管的最大工作电流；

（2）正向电压降UF（平均值）：

半导体整流二极管通过额定整流电流时，在电极间产生的电压降；

（3）反向漏电流IB（平均值）：

半导体整流二极管在正弦半波最高反向工作电压下的漏电流；

（4）击穿电压UB（峰值）：

半导体整流二极管反向为硬特性时，其反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值；如果为软特性时，则其值为给定的反向漏电流下的电压值。

3.2整流电路

把交流变成脉动直流的过程叫整流。

常用的整流电路有单相半波、单相全波、单相桥式等几种。

3.2.1单相半波整流电路

单相半波整流电路如图3-1所示：

图3-1单相半波整流电路

当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。

忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2，输出电压uo的波形和u2相同。

当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止，使电阻RL两端的输出电压uo成为单向脉动直流电压，因此叫做半波整流。

单相半波整流电压的平均值为：

（3-1）

流经二极管的电流平均值和负载电流平均值相等，即：

（3-2）

二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

（3-3）

考虑到电网电压波动范围为±20％，二极管的极限参数应满足：

（1）IF>1.2

（2）

单相半波整流电路虽然结构简单，但输出电压脉动系数大，直流成分低，变压器只有半个周期工作，利用率低。

3.2.2单相全波整流电路

单相全波整流电路如图3-2所示。

变压器副边具有中心抽头，感应出两个幅值相等而相位相差180o的电压u2。

当u2处于正半周时，D1导通，D2截止；当u2处于负半周时，D2导通，D1截止。

单相全波整流电压的平均值为：

（3-4）

流过负载电阻的输出电流平均值为：

Io=Uo/RL=0.9U2/RL（3-5）

流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：

（3-6）

二极管承受的最高反向电压：

（3-7）

图3-2单相全波整流电路

3.2.3单相桥式整流电路

单相全波整流电路如图3-3所示：

图3-3单相桥式整流电路

u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。

此时电流的路径为：

a→D1→RL→D3→b；u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。

此时电流的路径为：

b→D2→RL→D4→a。

单相桥式整流电压的平均值为：

（3-8）

流过负载电阻RL的电流平均值为：

（3-9）

流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：

（3-10）

每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：

（3-11）

3.3滤波电路

3.3.1电容滤波电路

电容滤波电路及波形如图3-4中（a）、（b）所示：

图3-4电容滤波电路及波形

假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管D开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。

如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。

然后u2继续按正弦规律下降，且

，使二极管D截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放电。

uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。

这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如图3-4（b）所示。

电容C放电的快慢取决于时间常数（

）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，平均值也越高。

电容滤波电路的输出特性曲线如图所示。

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，只适用于负载较轻且变化不大的场合。

图3-5电容滤波电路的输出特性曲线

—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值：

半波：

（3-12）

全波：

（3-13）

为了获得较平滑的输出电压，一般要求

，即：

（3-14）

式中T为交流电压的周期。

滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。

应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。

加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（

），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。

3.3.2电感滤波电路

电感滤波电路如图3-6所示。

由于通过电感的电流不能突变，用一个大电感和负载串联,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。

其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。

在这种电路中，输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经XL和RL分压的结果，只有ωL>>RL时，滤波效果才好。

图3-6电感滤波电路

输出电压平均值Uo一般小于全波整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo≈0.9U2。

虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了使L值大，多用铁芯电感，但体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。

电感滤波适用于负载电流较大的场合，其缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。

3.3.3复合滤波电路

几种常见的复合滤波电路如图3-7所示：

图3-7复合滤波电路

LC、CLC、π型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。

在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRC、π型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。

但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。

3.4稳压电路

 在电子电路中稳压电路不仅实用，也是很简单但又是最基本的，下面就常用的几种基本稳压电路做一简单介绍。

3.4.1稳压管稳压电路

稳压管稳压电路如图3-8所示。

它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

图3-8稳压管稳压电路

当输入电压变化时的稳压过程，根据电路图可知：

（1）Vo=Vz=VI-VR=VI-IRR

（2）IR=IL+IZ

　　输入电压VI的增加，必然引起Vo的增加，即Vz增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压Vo减小。

这一稳压过程可概括如下：

这里Vo减小应理解为，由于输入电压Vz的增加，在稳压二极管的调节下，使Vo的增加没有那么大而已，Vo还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。

当负载电流变化时的稳压过程：

负载电流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ＝VO减小，IZ减小，IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。

这一稳压过程可概括如下：

这种稳压电路的输出电压是不能调节的，负载电流变化范围较小，输出电阻较大，约几个欧姆到几10欧姆，因此稳压性能较差。

但其电路结构简单，负载短路时，稳压管不会损坏。

因此仅适用于Uo固定和要求不高的场合。

3.4.2串联反馈型稳压电路

串联反馈型稳压电路如图3-9所示。

其电路主要由取样环节、基准电压、比较放大环节和调整环节四大部分组成，各部分的作用如下：

（1）取样环节。

由R1、RP、R2组成的分压电路构成，它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。

（2）基准电压。

由稳压二极管DZ和电阻R3构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为